Создание бактерий с наноантителами, борющимися с диареей
Вооружив пробиотик крошечными антителами, полученными от альпаки, ученые создали потенциально новый пероральный препарат для лечения смертельно опасных диарейных инфекций.
Шел 1917 год, разгар Первой мировой войны, и немецкие солдаты, расквартированные на Балканах, сильно болели. В то время как остальные его товарищи страдали от продолжительных приступов диареи, один солдат оставался совершенно здоровым. В то время Альфред Ниссль, работавший ассистентом врача во Фрайбургском университете, изучал, как одни штаммы бактерий убивают другие. Он задался вопросом, могут ли у этого здорового солдата в кишечнике быть полезные микробы, защищающие его от инфекции, поразившей его сослуживцев. Ниссль взял образец кала у здорового солдата и выделил из него штамм Escherichia coli. Этот новый штамм, который ученые позже назвали E. coli Nissle 1917 (EcN) в честь Ниссля, подавлял множество бактериальных патогенов и стал одним из наиболее изученных бактериальных пробиотиков.
Хотя EcN защитили этого солдата от того, что, как позже выяснил Ниссль, скорее всего, было шигеллезной инфекцией, они не могут защитить от всех видов патогенов, вызывающих диарею. Однако Нил Джоши, микробиолог из Северо-Восточного университета США, рассудил, что он и его команда могут использовать EcN в качестве отправной точки и создать их с еще лучшими терапевтическими способностями. "Это кишечная палочка, поэтому генетические инструменты, которые у нас есть, подходят для ее инженерии", - говорит Джоши. "Она также способна выживать в кишечнике и имеет большой опыт безопасного применения у людей".
Объединив усилия со своими коллегами Чарльзом Шумейкером и Джоном Леонгом из Университета Тафтса, которые являются экспертами в области инфекционных заболеваний, Джоши и его исследовательская группа разработали EcN, который нацелен на различные патогены, вызывающие диарею, и блокирует их. Пациенты могут принимать EcN перорально и EcN просты в производстве. Поскольку разработанные EcN специфичны для возбудителей диареи, эти разработанные EcN могут стать недорогим и масштабируемым решением для лечения диарейных заболеваний во всем мире.
Диарейные заболевания могут поражать людей любого возраста, когда в организм попадают вызывающие их бактерии, вирусы или паразиты, но наихудшие последствия наблюдаются у детей. По оценкам ВОЗ, каждый год регистрируется почти 1,7 миллиарда случаев детских диарейных заболеваний и примерно 525 000 детей в возрасте до пяти лет умирают от этих инфекций. Частые приступы диареи также лишают детей питательных веществ, необходимых им для роста и развития, что делает ее одной из основных причин детского недоедания.
Чтобы наделить EcN способностью бороться с диареей, Джоши и его коллегам сначала нужно было найти способ распознавания и связывания бактерий с возбудителями заболеваний. Антитела отлично подходят для связывания и нейтрализации нежелательных патогенов, но они слишком велики для бактерий, подобных EcN. Исследователи нашли решение в виде пушистого южноамериканского млекопитающего - альпаки.
"По какой-то причуде эволюции у верблюдов, альпак, лам есть домены антител, которые являются урезанными, упрощенными версиями антител, существующих в нашем организме", - объясняет Джоши. "Это удобно для производства в случае бактерий, которые иногда не могут производить те типы антител, которые есть в нашем организме". Шумейкер, который является экспертом в разработке этих крошечных нанотел, называемых одиночными вариабельными доменами на тяжелой цепи (VHH), иммунизировал альпак факторами вирулентности из нескольких штаммов E. coli, вызывающих диарею. Он и его коллеги отобрали полученные VHH для выявления тех, которые лучше всего связывают патогены. Затем Джоши и его команда отобрали некоторые из наиболее эффективных VHH, связывающих кишечную палочку, наряду с ранее проверенными VHH, которые связываются с бактерией Shigella flexneri и паразитом Cryptosporidium parvum, вызывающими диарейные заболевания.
Затем исследователи экспрессировали эти VHH на волокнах EcN, которые представляют собой белковые волокна, используемые EcN для формирования биопленки. Они предположили, что когда эти модифицированные EcN попадут в кишечник, они создадут биопленку, содержащую антитела к VHH, которые обеспечат адгезивную поверхность для захвата патогенов до того, как у них появится шанс вызвать заболевание. Затем, в ходе нормального пассивного процесса пищеварения, патогены, захваченные инженерными EcN, будут перемещаться по пищеварительному тракту и выводиться из организма.
"Эта идея - иметь пробиотик, имеющий такую сеть с экспрессией наноносителей в слизи, мне кажется замечательной", - говорит Вивиана Парреньо, биохимик из Национального совета по научно-техническим исследованиям США, которая разрабатывает VHH для лечения вирусных желудочно-кишечных заболеваний и которая не участвовала в этом исследовании. Я посылаю эту статью всем своим студентам, чтобы те сказали: "О, давайте сделаем что-то подобное!"".
Джоши и его группа обнаружили, что экспрессирующие VHH волокна EcN связывают и нейтрализуют растворимые токсины как S. flexneri, так и многочисленных штаммов E. coli, вызывающих диарею, in vitro. Но самым интересным было то, насколько хорошо разработанный EcN связывался с паразитом C. parvum. "В первую очередь, именно эта цель была более масштабной, чем другие", - рассказал Илья Гельфат, ведущий автор исследования, который сейчас работает молекулярным биологом в GreenLight Biosciences. "Это более крупный, более сложный эукариотический паразит... Я помню, что был очень взволнован, когда впервые увидел данные о том, что он действительно связывается с ним".
Парреньо тоже считает этот результат очень интересным. "Для паразитов у нас пока нет вакцин, и это действительно большая проблема. Так что это очень перспективно в отношении паразитов, не только для человека, но и для здоровья животных", - говорит она. "Телята в первые дни жизни очень легко умирают от диареи. Наиболее важным из них является Cryptosporidum, поэтому эта работа очень полезна".
В дальнейшем Парреньо хотела бы проверить, насколько хорошо сконструированные пробиотики работают на животных. Мехди Арбаби-Гахруди, молекулярный иммунолог из Национального исследовательского совета Канады с опытом разработки VHH, который также не участвовал в исследовании, добавил, что он хотел бы увидеть, как авторы определяют правильную дозу VHH-экспрессирующего EcN для введения животным. "Сколько VHH будет экспрессировано в этой системе?" - задается он вопросом. "Насколько стабильна [эта] система сетей или биопленок?".
Джоши и его сотрудники уже работают над этими экспериментами in vivo, и им не терпится изучить и развить эту технологию дальше. Джоши надеется, что поскольку этот разработанный пробиотик действует и как фабрика лекарств, и как сосуд для их доставки, это позволит сделать лечение хорошо подходящим для районов с ограниченными ресурсами. "Бактерии легко и дешево производят самих себя, и, возможно, их можно будет использовать без какого-либо охлаждения или с минимальным охлаждением. Это уникальная платформа для развертывания, что делает ее привлекательной", - считает он. Гельфат добавляет: "Это новый взгляд на лекарственные препараты, производство лекарств и их доставку, и у этого метода есть все эти преимущества. В конце концов, это относительно просто".
