Воспаление кишечника, вызванное токсинами Clostridioides difficile, приводит к высвобождению доступных для патогена сахаров и аминокислот и подавлению компонентов нормальной микрофлоры, конкурирующих с клостридиями за питательные вещества.
Поражения кишечника при инфекции C. difficile обусловлены воспалением, опосредованным двумя бактериальными токсинами: TcdA и TcdB. Ученые из США предположили, что воспаление выгодно клостридиям, так как оно создает благоприятную среду, обогащенную питательными веществами.
Для проверки гипотезы ученые смоделировали инфекцию C. difficile на мышах и определили, каким образом в ответ на воспаление изменяются метаболизм бактерии, экспрессия генов в тканях хозяина и структура кишечной микробиоты. Мышей заражали лабораторным штаммом C. difficile дикого типа либо штаммом C. difficile, не способным производить токсины (tcdR), и наблюдали в течение 4 дней. Гистопатологический анализ выявил значительно более сильные поражения слепой кишки у мышей, получивших C. difficile дикого типа, по сравнению с группой tcdR. Мутантные клостридии не производили активных токсинов в количестве, достаточном для развития сильного воспаления.
Столь радикальные изменения окружающей среды должны были отразиться в транскриптоме C. difficile. Анализ данных РНК-секвенирования показал, что изменения генной экспрессии происходят в обоих штаммах и накапливаются со временем: у бактерии дикого типа повышалась экспрессия 249 генов и снижалась экспрессия 155 генов на 4 день после заражения по сравнению со 2 днем.
В воспалительных условиях у клостридий дикого типа происходила апрегуляция генов, ответственных за метаболизм углеводов и аминокислот, что говорит о расширении спектра потребляемых питательных веществ. Кроме того, повышалась экспрессия предположительных путей защиты от антимикробных пептидов. В кишечнике мышей, зараженных C. difficile дикого типа, увеличивалась экспрессия генов, связанных с секрецией пептидов и протеолизом, в том числе множественных матриксных металлопротеиназ, разрушающих коллаген. Именно эти процессы могут давать дополнительные питательные вещества для клостридий. В частности, при распаде коллагена становятся доступными пролин и гидроксипролин.
Эксперименты in vitro показали, что обработка клеток млекопитающих клостридиальными токсинами приводит к деградации коллагена. Более того, культура C. difficile успешно растет на минимальной среде, в которую вместо пролина добавлен разрушенный коллаген.
Известно, что в норме кишечная микробиота формирует негостиприимную среду для клостридий. Ученые предположили, что воспаление, вызванное токсинами C. difficile, подавляет компонентны микробиоты, противостоящие клостридиям. Секвенирование гена 16S рРНК в образцах слепой кишки инфицированных мышей и последующие микробиологические эксперименты показали, что в присутствии C. difficile дикого типа снижается доля бактерий рода Bacteroides — главных конкурентов клостридий за пролин и гидроксипролин.
Заражение мышей эпидемическим штаммом C. difficile R20291 давало ту же транскриптомную и микробиомную картину, что и эксперименты с лабораторными штаммами. Таким образом, воспаление, вызванное токсинами C. difficile, активирует матриксные металлопротеиназы хозяина, что приводит к высвобождению питательных веществ. При этом создается среда, неблагоприятная для бактерий-конкурентов.
«Мне всегда казалось интересным, что C. diff вызывает такое интенсивное воспаление. Наше исследование показало, что это воспаление может вносить вклад в персистенцию C. diff в кишечнике, продлевая инфекцию», — говорит первый автор работы Джошуа Флетчер, сотрудник Университета штата Северная Каролина.
Статья опубликована в Nature Communications volume 12, Article number: 462 (2021)
