Сепсис представляет собой иммунный парадокс, при котором защитные реакции организма необходимы для выживания, но в то же время способствуют повреждению органов и летальному исходу.
Одним из основных препятствий на пути к улучшению клинических результатов терапии сепсиса является сложность понимания баланса между благотворной иммуноопосредованной защитой организма и пагубным иммуноопосредованным повреждением органов. Нарушение кровообращения приводит к ухудшению функции органов при сепсисе, а легочная недостаточность широко распространена при всех его типах.
Авторы исследования, недавно опубликованного в журнале Science, непосредственно визуализировали септический процесс, протекающий в легочном кровообращении во время бактериальной инфекции крови. «Мы наблюдали, как иммунные клетки демонстрируют сложное поведение роя, напоминающее стаи птиц. Подобно воздушному балету, исполняемому стаей птиц, синхронизация клеток была впечатляющей и завораживающей. Но затем мы задались вопросом: как нам во всем этом разобраться?» — рассказал руководитель исследования Брайан Ипп.
Исследователи применили сочетание мышиной септической модели с микроскопией живых легких, что позволило выявить сложную многоклеточную реакцию, в которой участвовали нейтрофилы, тромбоциты и бактерии. Авторы предположили, что детальный анализ поведения клеток при сепсисе может дать молекулярное понимание различий между необходимой защитой организма и нежелательным повреждением органов. «Мы разработали новый метод объединения микроскопии с цифровой информатикой, чтобы создать то, что мы назвали „бехавиромика“. Вместо того чтобы рассматривать изображения клеток как обычные фотографии, ученые фиксировали характеристики каждой клетки, включая её форму и размер, скорость и направление движения. Затем исследователи присвоили этим характеристикам цифровые значения и начали вводить эти данные в биоинформатическую систему.
У мышей развился сепсис с ранней высокой летальностью на этапе заражения крови. Однако у мышей с дефицитом кателицидина — антимикробного белка — наступление летального исхода значительно задерживалось. Ранняя летальность при сепсисе не была связана с неэффективностью защитных механизмов организма, поскольку у обычных мышей бактериальная нагрузка была ниже, чем у мышей с дефицитом кателицидина. Визуализация легких показала, что нейтрофилы и тромбоциты быстро взаимодействовали, образуя агрегаты, захватывающие бактерии; однако эти защитные агрегаты организма разрастались, образуя иммунотромбы, которые затрудняли кровообращение в легких. Дефицит кателицидина нарушал запуск этого процесса, что снижало раннее повреждение органов и смертность, но также ослабляло защитные механизмы организма, приводя к продолжению инфекции и отсроченной септической смерти.
Микроскопия в режиме реального времени, проанализированная с помощью информационных технологий, позволила изучить поведение клеток во время развития иммунотромбов, выявив ключевой промежуточный этап усиления в каскаде образования иммунотромбов, для которого необходим воспалительный липидный медиатор лейкотриен B4 (LTB4). Защита организма с помощью кателицидина приводила к усилению под действием LTB4 окклюзионных иммунотромбов, что вызывало дисфункцию органов и септическую смерть, однако ингибирование LTB4 уменьшало количество вредных иммунотромбов и позволяло очистить организм от бактерий. Ингибирование LTB4 до воздействия бактерий ослабляло пагубную иммунопатологию, не нарушая при этом антибактериальную защиту.
«Наш подход позволил нам классифицировать клетки. Мы обнаружили 18 различных кластеров поведения, характерных для клеточных роев при сепсисе. Понимание поведения клеток может дать представление о новых методах лечения, в том числе о том, когда следует назначать лечение», - сообщил Ипп, отметив, что эти новые знания побудили его группу изучить варианты лечения на различных этапах вмешательства, которые могли бы предотвратить скопление клеток.
«Полученные результаты позволили нам предложить целевые терапевтические средства для блокирования нежелательных реакций организма и стимулирования благоприятных реакций, что повысит выживаемость при сепсисе», — говорит Ипп. «В настоящее время золотым стандартом лечения сепсиса является введение антибиотиков в течение часа после установления диагноза сепсиса. Мы задались вопросом, будет ли полезно применение дополнительного препарата в сочетании с антибиотиками».
Данное исследование продемонстрировало, что нормальные стратегии защиты организма могут приобретать патологический характер, а молекулярные механизмы можно выявить и использовать для смягчения патологических реакций. В нем подчеркивается, что летальный исход при сепсисе обусловлен не только отсутствием эффективной защиты организма в условиях массивной и неконтролируемой инфекции, но и иммунопатологией самого организма. Стратегии, смягчающие пагубную иммунопатологию иммунотромбов без нарушения антибактериальной защиты, представляют собой перспективную цель для прецизионной терапии сепсиса. Ипп отмечает, что, хотя предстоит ещё много исследований, тот факт, что сепсис ежегодно поражает и зачастую уносит жизни миллионов людей по всему миру, свидетельствует о реальной важности использования инновационных методов вычислительной биологии для открытия новых лекарственных средств.
