Mycobacterium tuberculosis (Mtb) - причина многовековой бактериальной пандемии туберкулеза, которая лишь иногда уступает вирусным пандемиям в качестве основной причины смерти людей от инфекции.
В то время как многие патогены человека завершают свой жизненный цикл в резервуаре, отличном от случайного человеческого хозяина, люди являются как резервуаром Mtb, так и его жертвами. У людей без иммуносупрессии смертность от туберкулеза составляет около 70% для тех, у кого в мокроте микроскопически обнаруживаются Mtb и кто не получает лечения. Для патогена, который с такой легкостью уничтожает свой резервуар, передача инфекции является эволюционно «узким местом». Однако неизвестно, способствуют ли какие-либо гены Mtb передаче инфекции. Биология передачи Mtb изучалась эпидемиологически в популяциях, путем воздействия на экспериментальных животных выдохами больных и косвенно в исследованиях, в которых фиксировались бациллы, выдыхаемые людьми, больными туберкулезом. Однако доклинической модели для изучения биологии передачи Mtb в физиологически значимых условиях на уровне генома не существует.
Когда Mtb попадают в воздух при кашле, они оказываются в сравнительно враждебной среде с резкими изменениями рН и химического состава. То, как Mtb переносят воздушно-капельное путешествие, является ключевым фактором их живучести, но очень мало известно о том, как они защищают себя, перемещаясь от одного носителя к другому. Недавно исследователи Массачусетского технологического института и их коллеги обнаружили семейство генов, которые становятся необходимыми для выживания именно тогда, когда патоген подвергается воздействию воздуха, вероятно, защищая бактерии во время их перемещения.
Ранее многие из этих генов считались несущественными, поскольку они не оказывали никакого влияния на способность бактерии вызывать заболевания при попадании в организм человека. Новая работа показывает, что эти гены действительно важны, но скорее для передачи инфекции, чем для ее распространения. «В отношении передачи инфекции воздушно-капельным путем существует „слепая зона“ - как патоген выживает в условиях резких изменений, происходящих в воздухе», - объясняет руководитель исследования Лидия Буруиба. «Теперь благодаря этим генам мы можем понять, какие гены использует туберкулез для своей защиты». Результаты этой работы, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, могут стать новыми целями для терапии туберкулеза. «Если терапия будет направлена на продукты этих генов, она сможет эффективно предотвратить распространение инфекции», - отмечает Буруиба. «Это одна из первых попыток рассмотреть туберкулез с точки зрения биофизических аспектов передачи воздушно-капельным путем», - говорит она.
Авторы исследования попытались имитировать условия, в которых Mtb находится во время передачи инфекции. Сначала они попытались разработать жидкость, которая по вязкости и размеру капель была бы похожа на ту, которую пациент выкашливает или вычихивает в воздух. Буруиба отмечает, что большая часть экспериментальных работ по туберкулезу в прошлом была основана на жидкой питательной среде, используемой для культивирования бактерий. Но исследователи обнаружили, что эта жидкость по своему химическому составу сильно отличается от жидкости, которую больные туберкулезом на самом деле выкашливают или вычихивают в воздух.
Кроме того, Буруиба отмечает, что для проведения диагностических тестов у больных туберкулезом берут мокроту . «Но мокрота крайне неэффективна для распространения среди других людей, потому что слишком вязкая, чтобы распадаться на вдыхаемые капельки», - говорит она. Благодаря работам в области физики жидкостей и капель, специалисты определили более реалистичную вязкость и вероятное распределение по размерам микрокапель, переносящих Mtb, которые могли бы передаваться по воздуху. Кроме того, исследователи охарактеризовали состав капель, основываясь на анализе образцов инфицированных тканей легких пациентов. Затем они создали более реалистичную жидкость, по составу, вязкости, поверхностному натяжению и размеру капель схожую с той, что выделяется в воздух при выдохе.
После этого авторы детально измерили, как испаряются микрокапли этой смоделированной жидкости и какую структуру оставляют после себя. Они заметили, что по мере испарения смоделированная жидкость, как правило, защищала микобактерии в центре капли и была способна удерживать больше воды. При этом, в каждую каплю вводили Mtb, содержащие гены с различными нокдаунами, чтобы выяснить, повлияет ли отсутствие определенных генов на выживание бактерий при испарении капель.
Таким образом, исследователи проанализировали активность более 4 000 генов туберкулеза и обнаружили семейство из нескольких сотен генов, которые, по-видимому, становятся важными именно тогда, когда бактерии адаптируются к условиям воздушной среды. Многие из этих генов участвуют в восстановлении повреждений окисленных кислородом воздуха белков. Другие активированные гены связаны с разрушением поврежденных белков, которые не подлежат восстановлению. «Мы получили очень длинный список кандидатов», - рассказывает Буруиба. «Существуют сотни генов, и некоторые из них более заметны, чем другие, которые могут быть критически вовлечены в процесс выживания туберкулеза на стадии передачи».
Авторы признают, что эксперименты не являются полным аналогом биофизической передачи бактерий. В реальности туберкулез переносится в капельках, которые летают в воздухе, испаряясь на лету. Чтобы провести генетический анализ, исследователям пришлось работать с капельками, нанесенными на лабораторный пластик. В этих условиях они максимально имитировали передачу капель по воздуху, поместив чашки в очень сухую камеру, чтобы ускорить испарение капель, аналогичное тому, что они испытывают в полете.
В дальнейшем исследователи начали экспериментировать с платформами, которые позволят им изучать капли в полете, в различных условиях. Они планируют сосредоточиться на открытом ими семействе генов в еще более реалистичных экспериментах, чтобы подтвердить, действительно ли эти гены защищают Mtb при передаче по воздуху, потенциально открывая путь к ослаблению защиты микобактерий при воздушно-капельном пути передачи. «У большинства людей, которые распостраняют туберкулез воздушно-капельным путем, еще нет диагноза. Поэтому мы должны прервать его передачу. А как это сделать, если вы ничего не знаете о самом процессе? Теперь у нас есть несколько идей».
