Streptococcus pyogenes, также известный как стрептококк группы А (GAS), является специфическим для человека возбудителем, вызывающим широкий спектр как местных, так и системных инфекций.
Глобальное бремя заболеваний, вызванных GAS, оценивается в ~18 млн. тяжелых случаев и ~500 тыс. смертей в год, что является существенным источником заболеваемости и смертности во всем мире. GAS-инфекции характеризуются значительной гетерогенностью в отношении тканевого тропизма, тяжести заболевания и возникновения постинфекционных последствий. Например, GAS вызывают различные относительно легкие и локализованные инфекции кожи и горла, которые приводят к импетиго и фарингиту. Эти локализованные инфекции часто проходят самостоятельно и реагируют на антимикробное лечение, но в некоторых случаях у пациентов могут развиться опасные для жизни инвазивные заболевания, включая сепсис и некротизирующий фасциит.
GAS-инфекции также связаны с широким спектром тяжелых постинфекционных иммуноопосредованных заболеваний, таких как гломерулонефрит и острая ревматическая лихорадка. Основа такой большой гетерогенности заболеваний мало изучена. Определение основных факторов, модулирующих вирулентность бактерий при различных заболеваниях, имеет большое значение для разработки более чувствительной диагностики и более эффективной целевой терапии.
Способность GAS вызывать заболевания зависит от его способности обходить защитные механизмы хозяина и уклоняться от иммунонадзора. В частности, GAS выработал множество механизмов, направленных на изменение структуры и функции иммуноглобулина G (IgG) хозяина, чтобы обойти реакцию, опосредованную антителами. Например, поверхностные белки GAS могут связывать антитела с Fc-областью IgG, препятствуя опсонизации и фагоцитозу бактерий через Fcγ-рецепторы иммунных клеток. Такое "неиммунное" связывание IgG бактериями зависит от локальной концентрации IgG в конкретной тканевой среде, что позволяет предположить, что способность GAS противодействовать адаптивным иммунным реакциям может влиять как на тропизм патогенов, так и на фенотипы заболеваний.
Кроме того, GAS экспрессирует как минимум две протеазы - IdeS9, которая специфически расщепляет IgG в области петли, и SpeB10, протеазу широкого спектра действия, разрушающую Ig-антитела, а также другие белки-мишени в нескольких местах. Оба фермента снижают способность IgG вызывать последующие Fc-зависимые эффекторные функции. Кроме того, GAS секретирует EndoS11 - бактериальную гликан-гидролазу, которая связывается с IgG и удаляет консервативный аспарагиновый N-связанный олигосахарид, неизменно прикрепленный к тяжелым цепям Fc как человеческих, так и мышиных антител. Дегликозилирование вызывает конформационные изменения, снижающие сродство связывания IgG с Fcγ-рецепторами, что, в свою очередь, приводит к отмене Fc-опосредованных защитных функций.
Тот факт, что GAS имеет так много различных систем для борьбы с IgG-ответами хозяина, подчеркивает критическую важность антител в обеспечении защиты от стрептококковых инфекций. Кроме того, экспрессия IgG, направленных на факторы вирулентности, является потенциальной проблемой для будущей разработки вакцины против GAS, а также для оценки эффективности терапии внутривенным иммуноглобулином (IVIG) - фармацевтической смесью поликлональных IgG, полученных от тысяч людей, которая предлагается в качестве перспективной адъювантной терапии при тяжелых стрептококковых заболеваниях.
Ранее мы уже сообщали, что GAS-инфекции ассоциируются с деградацией гликанов IgG как у людей, так и у мышей. Интересно, что степень дегликозилирования оказалась более выраженной на локальном участке, у пациентов с поверхностными инфекциями кожи и горла, по сравнению с циркулирующим IgG в плазме крови системно инфицированных септических пациентов. Эти различия позволяют предположить, что активность EndoS может модулироваться сигналами, поступающими из тканевой среды и/или связанными с прогрессированием инвазивного заболевания. Однако точные механизмы, регулирующие активность EndoS, мало изучены, равно как и их вклад в клинически значимые переходные процессы, такие как переход от локальной к угрожающей жизни системной инфекции. Не изученными остаются также вопросы взаимодействия EndoS с другими механизмами IgG-мишени и их совместное влияние на терапевтические вмешательства, такие как IVIG-терапия.
В настоящем исследовании мы приводим доказательства критической роли микроокружения хозяина в регулировании способности GAS вызывать изменения гомеостаза IgG хозяина в ходе текущей инфекции. Нарушение гомеостатического баланса опосредовано одновременной секрецией IdeS и EndoS в циркуляцию, что, в свою очередь, приводит к широкомасштабной протеолитической и гликановой деградации как эндогенного IgG, так и экзогенно вводимых терапевтических антител. Что еще более важно, деградация IgG зависит от пути инфицирования, что подчеркивает критическую роль микроокружения хозяина в формировании как вирулентности GAS, так и терапевтической эффективности антимикробных препаратов на основе антител.
На мышиной модели диссеминирующей GAS-инфекции мы показали, что переход от локальной к системной инфекции связан с изменениями в гомеостазе IgG, связанными с экспрессией бактерий и секрецией IdeS и EndoS в циркуляцию. Удивительно, но минуя локальную стадию инфекции, значительно снижается уровень системной деградации IgG, что позволяет выделить тканевое микроокружение как важный модулятор этих фенотипических изменений. Интенсивные исследования последних лет позволили выявить множество механизмов, которые могут лежать в основе способности бактерий переходить от локальных инфекций кожи и носоглотки к инвазивным заболеваниям, угрожающим жизни. Среди них дифференциальная экспрессия факторов вирулентности, отдельно или в сочетании с приобретенными мутациями в двухкомпонентных системах сигнальной трансдукции, таких как covR/S, оказались важными факторами усиления вирулентности бактерий.
Кроме того, была продемонстрирована тесная связь между восприятием питательных веществ и активацией транскрипционных сигнатур, связанных с вирулентностью. Одним из ярких примеров является способность транскрипционных регуляторов, таких как белок катаболитов углерода A (CCPA), опосредовать адаптацию бактерий к среде с низким содержанием глюкозы, например, к коже и миндалинам человека, что сопровождается повышением регуляции множества хорошо известных факторов вирулентности. Интересно, что и IdeS, и EndoS реагируют на CCPA-сигнализацию, но вносят ли эти механизмы вклад в фенотипические различия между подкожной и IP-моделью, еще предстоит выяснить, но разная доступность питательных веществ, например, низкий уровень глюкозы в коже по сравнению с более высоким уровнем глюкозы в плазме, и их известное влияние на транскрипционные регуляторы, такие как CCPA или covR/S, потенциально могут объяснить эти различия.
Наконец, мы не исключаем, что в модуляцию наблюдаемых фенотипических проявлений могут вносить вклад и другие факторы хозяина, включая присутствие специфических для кожи факторов (например, специфических липидов или углеводов) или дифференциальную регуляцию протеаз хозяина, происходящих из нейтрофилов или других популяций иммунных клеток. Однако наш вывод о том, что деградация IgG происходит в основном под действием EndoS и IdeS, подтверждается обширными данными in vivo и in vitro, а также согласуется с исключительной специфичностью обоих ферментов, которая недавно была подробно охарактеризована с помощью кристаллографических исследований. Более того, фенотипические различия, связанные с путем инфицирования и микросредой хозяина, были зафиксированы как у GAS, так и у других патогенов, что указывает на то, что контекстно-чувствительная регуляция бактериального протеома in vivo может быть общим явлением, которое вносит свой вклад в наблюдаемую гетерогенность бактериальных инфекций.
Полученные нами результаты указывают на необходимость более тщательной доклинической оценки целостности терапевтических антител, образующихся при активной или пассивной иммунизации против GAS. Поскольку экспрессия патогенных IgG-мишеней может различаться в разных животных моделях инфекции, эффективность лечения с помощью антител также может колебаться. В принципе, эти опасения можно распространить и на доклинические исследования других бактериальных инфекций. Действительно, такие патогены человека, как Enterococcus faecalis и Streptococcus dysgalactiae, также могут экспрессировать эндогликозидазы, нацеленные на IgG, а также другие гликопротеины хозяина, хотя их вклад в вирулентность возбудителя во время инфекции остается малоизученным.
В данном исследовании мы использовали фармацевтический препарат IVIG в качестве молекулярного зонда для количественной оценки степени деградации IgG под действием GAS во время инфекций. Однако клиническая эффективность IVIG в качестве вспомогательной терапии при системных бактериальных инфекциях и сепсисе также является предметом интенсивных исследований. До сих пор клинические испытания не продемонстрировали явного преимущества лечения IVIG в снижении смертности от сепсиса, за исключением отдельных случаев инвазивного заболевания GAS и синдрома стрептококкового токсического шока.
Скорее всего, защитные механизмы IVIG в контексте GAS-заболеваний являются комплексными и включают как нейтрализацию токсинов и суперантигенов, так и усиление бактериального клиренса с помощью GAS-специфических опсонофагоцитарных антител. Действительно, в своей работе мы показали, что коммерческий IVIG содержит GAS-специфические антитела, способные вызывать эффективную Fcγ-сигнализацию через различные рецепторы. Однако наши данные также показывают, что эта активность полностью подавляется под воздействием IdeS или EndoS, что подчеркивает потенциальное влияние этих патогенных механизмов иммунного обхода на патогенез GAS. Активность этих бактериальных ферментов также подчеркивает важность структуры белка IgG в целом и гликозилирования в частности для опосредования некоторых Fc-опосредованных эффекторных функций IVIG.
Как и в предыдущем исследовании на модели стрептококкового синдрома токсического шока, мы обнаружили, что IVIG эффективно снижает распространение бактерий и уменьшает системное воспаление в одноэтапной системной модели сепсиса, но не в том случае, если возбудитель сначала вводится подкожно для создания локальной кожной инфекции, а затем происходит системное распространение. Молекулярная основа этих заметных различий неизвестна, но может быть связана с разным вкладом иммунных клеток в кожу и плазму крови, способствующих клиренсу. Тем не менее, интересно, что терапевтический эффект IVIG был также связан со специфическими изменениями белков плазмы, ассоциированными с дисфункцией органов, что может свидетельствовать об органопротекторной функции IVIG в конкретных условиях заболевания, возможно, связанной с уменьшением распространения бактерий в органы.
Таким образом, наши данные показали, что уровень деградации IgG модулируется в зависимости от способа инокуляции патогена и связан с совместной активностью бактериальной протеазы IdeS и эндогликозидазы EndoS, которая повышается во время инфекции. Важно отметить, что эти факторы вирулентности могут изменять структуру и функцию экзогенного терапевтического IgG in vivo. Эти результаты подтверждают гипотезу о том, что клиническая гетерогенность заболеваний, вызванных GAS, а также эффективность антителозависимой терапии могут зависеть от бактериальной экспрессии IgG-мишеней факторов вирулентности.
