Исследователи Гарвардского университета обнаружили генетические и биологические механизмы, повышающие толерантность к заболеваниям - способность клеток и тканей противостоять повреждениям в присутствии вторгающихся патогенов - у развивающихся головастиков лягушки Xenopus laevis, а также идентифицировали вещества, способные поддерживать жизнь головастиков даже в присутствии патогенных бактерий.
Многие из этих же механизмов встречаются и у млекопитающих, что позволяет предположить, что инфекции у людей и других животных однажды можно будет лечить путем повышения их толерантности к патогенам. "Стандартный подход к лечению инфекций в течение последних 75 лет заключался в том, чтобы сосредоточиться на уничтожении патогена, но чрезмерное использование антибиотиков в животноводстве и у людей привело к появлению резистентных к антибиотикам бактерий, которые нам все труднее и труднее уничтожать. Наше исследование показало, что сосредоточение внимания на изменении реакции хозяина на патоген, а не на уничтожении самого патогена, может стать эффективным способом предотвращения летальных исходов и заболеваний без усугубления проблемы резистентности к антибиотикам", - говорит первый автор статьи, опубликованной 15 июня в журнале Advanced Science, Меган Сперри.
Феномен толерантности некоторых хозяев к инфекционным патогенам был хорошо задокументирован в науке за последние несколько десятилетий. Например, мыши могут переносить пневмококки в носовой полости без признаков заболевания, а африканские и азиатские обезьяны, как известно, менее восприимчивы к некоторым патогенам, чем люди. Исследования биологии толерантности к заболеваниям показали, что она связана с активацией стрессовых реакций, которые обычно вызываются гипоксией. Эти клеточные реакции перепрограммируют Т-клетки, что уменьшает количество вызываемых ими воспалений, а также влияют на транспорт ионов металлов, которые имеют решающее значение для выживания бактерий.
В рамках продолжающихся поисков Сперри и ее коллеги хотели проверить, смогут ли они использовать комбинацию компьютерных методов и практических экспериментов для выявления генов и молекулярных путей, контролирующих толерантность у лягушек Xenopus, а затем подобрать существующие препараты, способные активировать эти пути и стимулировать состояние толерантности к патогенам. Они решили использовать для своих исследований эмбрионы лягушки Xenopus, поскольку их легко выращивать и анализировать в больших количествах, и известно, что они демонстрируют естественную толерантность к высоким количествам определенных типов бактерий.
Исследователи подвергли эмбрионы воздействию шести различных видов патогенных бактерий, а затем проанализировали характер экспрессии генов животных после инфицирования. Эмбрионы, столкнувшиеся с более агрессивными видами Aeromonas hydrophila и Pseudomonas aeruginosa, продемонстрировали видимые изменения в физическом развитии через 52 часа после инфицирования и широко распространенные изменения в паттернах экспрессии генов через день после заражения.
Другие четыре вида не вызывали видимых изменений в эмбрионах, что поначалу позволило предположить, что животные не реагируют на патогены. Но генетический анализ показал совсем другое. Если два вида, S. aureus и S. pneumoniae, вызывали очень незначительные генетические изменения в профилях экспрессии генов эмбрионов, то Acinetobacter baumanii и Klebsiella pneumoniae вызывали значительные изменения в группе из 20 генов, которые оставались неизменными при инфицировании более агрессивными бактериями. Эти генетические изменения коррелировали с положительным влиянием на здоровье развивающихся лягушек, что позволяет предположить, что они могут быть вовлечены в реакции толерантности животных.
Исследователи использовали компьютерный анализ для картирования генов Xenopus, которые претерпели значительные изменения, и проанализировали, как эти гены взаимодействуют друг с другом, организовав их в "генные сети". Они обнаружили, что эмбрионы, которые перенесли воздействие A. baumanii и K. pneumoniae, имели значительные сдвиги в своих генных сетях, которые отличались от сдвигов, наблюдаемых у эмбрионов, погибших от инфекции A. hydrophila и P. aeruginosa.
Один конкретный ген, HNF4A, был сильно активизирован у толерантных эмбрионов и был связан с рядом генов, участвующих в транспортировке ионов металлов и повышении доступности кислорода - оба процесса, которые ранее уже связывали с толерантностью к заболеваниям. HNF4A также помогает поддерживать циркадный ритм, и ученые обнаружили, что изменение светового цикла эмбрионов повышает толерантность к инфекции A. hydrophila, что открывает интригующую возможность того, что модуляция циркадных ритмов может повлиять на реакцию организма на инфекцию.
"Было очень интересно увидеть, что толерантность к патогенам регулируется несколькими скоординированными биологическими процессами - гипоксией, транспортом ионов металлов и циркадным ритмом, потому что, возможно, удастся разработать целый класс препаратов, которые одновременно будут направлены на несколько механизмов, чтобы сделать организмы более жизнестойкими к воздействию инфекций, избегая при этом нежелательных побочных эффектов", - рассказывает Сперри.
Вооружившись этими многообещающими результатами, авторы решили проверить, смогут ли они найти такие вещества. Во-первых, они сравнили сигнатуру экспрессии генов, выявленную ими у толерантных эмбрионов Xenopus, с существующими данными, полученными от мышей и приматов, инфицированных бактериями, к которым они были толерантны. Они обнаружили, что генные сети у толерантных эмбрионов Xenopus в основном совпадают с сетями, обнаруженными у толерантных мышей и приматов, и что двенадцать генов были общими для всех видов. Среди этих генов было несколько, участвующих в процессе, называемом сигналлинг ядерного фактора каппа В (NF-κB), который регулирует реакцию воспаления на инфекцию, а также транспорт ионов металлов и реакцию клеток на гипоксию.
Убедившись, что гены толерантности ксенопусов хорошо отражают аспекты толерантности у млекопитающих, они проверили более 30 фармацевтических препаратов, которые влияют на транспорт ионов металлов или гипоксию, вводя их эмбрионам Xenopus, инфицированным A. hydrophila. Три препарата существенно повысили выживаемость эмбрионов, несмотря на присутствие патогена, который должен был их убить: дефероксамин, который связывается с ионами железа и алюминия; L-мимозин, который связывается с железом и цинком; и гидралазин, который связывается с ионами металлов и расширяет кровеносные сосуды.
Поскольку известно, что транспорт ионов металлов и пути развития гипоксии взаимосвязаны, исследователи догадались, что эти препараты для удаления металлов стабилизируют биологический белок HIF-1α. HIF-1α регулирует реакцию клеток на гипоксию и может участвовать в уменьшении повреждения тканей и повышении толерантности к заболеваниям. Поэтому ученые ввели препарат 1,4-DPCA, который, как было установлено ранее, усиливает активность HIF-1α по отдельному, но связанному с ним механизму. Этот препарат увеличил выживаемость эмбрионов Xenopus более чем на 80% в присутствии патогенов. Когда исследователи добавили ингибитор HIF-1α вместе с 1,4-DPCA, эмбрионы погибли от инфекции, что подтверждает, что HIF-1α действительно является ключевым игроком в толерантности к инфекциям.
Важно отметить, что гены головастиков, которые претерпели наибольшие изменения в уровнях экспрессии в результате воздействия 1,4-DPCA, также присутствовали в 20-генной сигнатуре толерантности к патогенам, которую исследователи определили ранее, что позволяет предположить, что препарат имитирует аспекты естественной толерантности, включая модуляцию генов, участвующих в связывании ионов металлов.
"С тех пор, как в 19 веке наука признала микробную теорию заболеваний, терапия была направлена на борьбу с самими патогенами. Но эти эксперименты показывают, что модулирование физиологических реакций хозяина на патоген заслуживает не меньшего внимания и может предложить столь необходимый альтернативный подход к лечению инфекционных заболеваний", - отмечает Сперри.
Однако исследователи предупреждают, что препараты, вызывающие толерантность, не являются "серебряной пулей" против инфекций. Повышение толерантности человека к инфекции может обернуться тем, что он никогда полностью не очистит свой организм от патогенов. Кроме того, люди с латентными, слабо выраженными инфекциями могут передавать возбудителя другим людям, которые более восприимчивы. Поэтому препараты, повышающие толерантность, вероятно, лучше использовать в сочетании с другими мерами, такими как вакцины, или в отдельных чрезвычайных ситуациях, например, для защиты врачей и мед.персонала,экстренно реагирующих на вспышку смертельно опасного патогена.
"Это замечательный пример переворачивания научных или медицинских парадигм с ног на голову: вместо того, чтобы искать еще один узконаправленный антибиотик, к которому патогены в будущем выработают резистентность, мы решили открыть способы стимулирования толерантности хозяина к широкому спектру инфекций. Хотя эта работа еще далека от клиники, она демонстрирует ценность нестандартного мышления и открывает новые подходы к разработке терапевтических средств", - заключает Сперри.
