Экологические и эволюционные исследования углубляют понимание микобактериальных заболеваний (аннотация)Экологические и эволюционные исследования углубляют понимание микобактериальных заболеваний
Микобактерии, которые эволюционировали вместе с позвоночными благодаря специфическому паразитическому жизненному циклу, встречаются редко.
Это микобактерии комплекса микобактерий туберкулеза (MTBC) и три генотипа M. abscessus. Микобактерии имеют долгую историю обитания в разнообразных средах, в которых их фенотипические и генетические признаки (включая патогенность) эволюционировали в условиях, не связанных с позвоночными. Поэтому информация, полученная исключительно на основе данных о пациентах, больных животных и антропогенных средах обитания, препятствует выявлению предполагаемых беспозвоночных хозяев и экологических резервуаров, которые важны для разработки новых подходов к профилактике заболеваний.
В целом, экология патогенных микобактерий требует проведения множества дополнительных научных исследований с использованием экологических и эволюционных аспектов развития заболеваний для расшифровки случаев, когда патогенность возникла как случайное следствие эволюции в сложных и богатых видами природных средах. Такой подход становится все более важным, поскольку прогнозируется, что микобактерии станут более многочисленными и распространенными при глобальных сценариях потепления климата, закисления почвы и землепользования, приводящего к эрозии почвы и развития сельского хозяйства.
Взгляды на экологию и эволюцию микобактерий с точки зрения медицины и ветеринарии можно разделить на две категории. Первая категория включает в себя исследования Mycobacterium leprae и микобактериальных патогенов, не имеющих экологической стадии, которые инфицируют отдельные виды позвоночных. Предполагается, что эти патогены могут передаваться от человека к человеку, хотя эмпирические доказательства существуют только для MTBC. Вторая категория касается нетуберкулезных микобактерий (НТМ), которые сохраняются в почве и пресной воде как свободноживущие сапрофиты - организмы, использующие разлагающуюся органическую материю.
Восприимчивые позвоночные животные заражаются НТМ при контакте с такой средой, что указывает на экологические вариации риска заражения заболеваниями. В настоящее время исторические исследования MTBC и исследования НТМ, присутствующих в окружающей среде, практически не пересекаются, что не позволяет получить потенциальную информацию об экологических и эволюционных перспективах микобактерий, вызывающих многочисленные заболевания. При этом MTBC остаются одними из самых смертоносных возбудителей человеческих инфекций, их превосходит только SARS-CoV-2.
Несмотря на географические различия в специфических проявлениях, основные проблемы здравоохранения связаны с Mycobacterium absessus, Mycobacterium chelonae, Mycobacterium fortuitum, Mycobacterium avium subspecies avium, Mycobacterium avium subspecies intracellulare и Mycobacterium kansaii. Понимание того, как характеристики микобактерий, опосредующие восприимчивость к инфекциям и патогенность, эволюционировали во времени и пространстве, должно дать новое представление об определяющих факторах бремени микобактериальных заболеваний.
Во многих теоретических моделях рассматривается вопрос о том, почему паразиты не эволюционировали в сторону доброкачественности, поскольку их выживание зависит от хозяев. Обзор исследований этих моделей показал, что все они основаны на адаптивном сценарии вирулентности (AVS). AVS предполагает, что паразиты развивают промежуточные значения вирулентности, чтобы максимизировать свою приспособленность (количество вторичных инфекций).
Сценарий случайной вирулентности (CVS) относится к ситуациям, когда патогенность не зависит от рассматриваемой инфекции. Патогенность CVS можно описать двумя функциональными объяснениями. Первое основано на распространении патогена на новый вид, который случайно разделяет восприимчивость, сходную с восприимчивостью хозяина(ов), с которым патоген коэволюционировал как паразит или наследственный симбионт. Плейотропия факторов вирулентности (то есть их участие в нескольких метаболических путях, влияющих на различные фенотипы) является второй функциональной основой CVS; отбор таких генов может основываться на фенотипических преимуществах, не связанных с изучаемой инфекцией.
CVS предполагает повышенную вероятность существования эпидемиологических сетей, включающих циркуляцию нескольких патогенов между несколькими видами, так что несколько патогенов совместно инфицируют некоторых особей, а данный патоген инфицирует несколько видов. Всестороннее понимание динамики инфекции в этих эпидемиологических сетях может привести к разработке инновационных стратегий профилактики и лечения заболеваний. Микобактерии, включая многие еще не изученные НТМ, встречаются в почве и водной среде обитания. Оценка родства и сходства признаков этих микобактерий с известными патогенами может дать представление о прогнозировании новых и возникающих инфекционных заболеваний, связанных с текущими глобальными изменениями.
Число зарегистрированных видов микобактерий резко возросло с развитием геномных технологий и расширением возможностей научного сообщества по оценке образцов окружающей среды. В период с 1960-х по 2010-е годы их число составляло от 10 до 61, а в 2023 году, согласно базе данных List of Prokaryotic Names with Standing in Nomenclature, их было уже 196. Эта тенденция, скорее всего, сохранится, учитывая результаты глобального и систематического исследования почвообитающих микобактерий.
Геномный анализ показал сосуществование непатогенных и патогенных таксонов в каждом из основных клад микобактерий, что также наблюдалось в комплексах M. avium и M. kansasii. Таким образом, приобретение (или потеря, или и то и другое) патогенности происходило много раз в ходе эволюции микобактерий. Оценки времени дивергенции микобактерий слишком малы, чтобы правильно оценить время появления патогенности. Имеющаяся информация свидетельствует лишь о том, что разнообразные представители основных клад существовали 70 миллионов лет назад.
Глобальное исследование почвообитающих микобактерий, тем не менее, выявило существенные ограничения (например, растительный покров, климатическая зона и рН почвы), которые определили распределение 159 линий микобактерий в 143 образцах почвы. Этот вывод предполагает, что микобактерии, скорее всего, адаптировались к различным условиям в ходе своей специфической эволюции, включая различия в межвидовом взаимодействии с конкурентами, хищниками или потенциальными хозяевами, или их сочетание.
Исследования антропогенных сред обитания свидетельствуют о том, что микобактерии обладают физиологическими свойствами, способствующими их колонизации водопроводных систем и распространению среди людей. Этому процессу способствует пригодность водопровода для амеб, поскольку патогенные микобактерии (за исключением M. fortuitum) могут выживать в амебах. Некоторые исследования предполагают, что патогенность микобактерий возникла в амебах, на основании того, что в случаях, когда были выявлены молекулярные основы инфекций амеб и макрофагов, оба признака зависели от одного и того же локуса (ESX-1 у MTBC, M. marinum и M. kansasii; ESX-4 у M. abscessus; один остров патогенности у M. avium). Однако отличить случаи коэволюции амеба-НТМ (приводящие к персистенции НТМ в популяциях амеб путем горизонтальной или вертикальной передачи) от тех, в которых защитные и инфекционные функции случайно рекрутировали одни и те же гены, недостаточно.
Прогнозирование вспышек инфекционных заболеваний и разработка соответствующих профилактических мер здравоохранения требуют междисциплинарных исследований процессов, которые определяют воздействие и передачу возбудителей болезней. В случае микобактериальных заболеваний эпидемиологические представления научного сообщества до сих пор основывались на клинических исследованиях инфекций у позвоночных. Сделанный нами обзор литературы ставит под сомнение существующую теорию передачи от человека к человеку для ряда микобактериальных инфекций. Более того, полученные данные свидетельствуют о том, что различные беспозвоночные организмы влияют на вирулентность, опосредуют передачу и способствуют увеличению численности патогенов в зависимости от воздействия позвоночных. Мы считаем, что экологические и эволюционные механизмы дают новые знания для более полного понимания профилактики и лечения заболеваний у позвоночных.
