Tuberkulóza spoléhá na ochranné geny během přenosu ve vzduchu, odhaluje studie

Tuberkulóza žije a daří se v plicích. Když se bakterie, které způsobují onemocnění, kašly do vzduchu, jsou vhozeny do poměrně nepřátelského prostředí s drastickými změnami v okolním pH a chemii. To, jak tyto bakterie přežívají svou vzdušnou cestu, je klíčem k jejich vytrvalosti, ale je jen velmi málo známo o tom, jak se chrání, když se odcházejí před jedním hostitelem k druhému.

Nyní vědci MIT a jejich spolupracovníci objevili rodinu genů, která se stává nezbytnou pro přežití konkrétně, když je patogen vystaven vzduchu, pravděpodobně chrání bakterii během jeho letu.

Mnoho z těchto genů bylo dříve považováno za neesenciální, protože se zdálo, že neměly žádný vliv na roli bakterií při způsobování onemocnění při vstřikování do hostitele. Nová práce naznačuje, že tyto geny jsou skutečně nezbytné, i když pro přenos než pro proliferaci.

„Existuje slepé místo, které máme vůči přenosu ve vzduchu, pokud jde o to, jak může patogen přežít tyto náhlé změny, když cirkuluje ve vzduchu,“ říká Lydia Bourouiba, která je hlavou dynamiky tekutiny laboratoře pro přenosu nemocí, docentkou civilního profesora a docentkou a docentkou a občanským profesorem a docentem a Environmentální inženýrství a strojírenstvía hlavní člen fakulty v Instiute pro lékařské inženýrství a vědu na MIT. „Nyní máme smysl, prostřednictvím těchto genů, o tom, jaké nástroje tuberkulóza používá k ochraně sebe sama. “

Výsledky týmu, objevuje se tento týden v Sborník Národní akademie vědMohlo by poskytnout nové cíle pro tuberkulózou terapií, které současně léčí infekci a zabránit přenosu.

„Pokud by léčivo zaměřilo na produkt těchto stejných genů, mohla by účinně léčit jednotlivce a ještě předtím, než bude tato osoba vyléčena, mohla by zabránit šíření infekce na ostatní,“ říká Carl Nathan, předseda ministerstva mikrobiologie a imunologie a Ra Rees Pritchett profesor mikrobiologie na WEIll Cornell Medicine.

Nathan a Bourouiba jsou spoluúčastí na studii, která zahrnuje spoluautory MIT a Mentery Bourouiba v Fluids and Health Network: spolu-vedoucí autor postdoc Xiaoyi Hu, postdoc Eric Shen a studenty Robin Jahn a Luc Geurts. Studie také zahrnuje spolupracovníky z Weill Cornell Medicine, University of California v San Diegu, Rockefeller University, Hackensack Meridian Health a University of Washington.

Perspektiva patogenů

Tuberkulóza je respirační onemocnění způsobené mycobacterium tuberculosis, bakterií, která nejčastěji ovlivňuje plíce a je přenášena kapičkami, které infikovaný jednotlivec vyloučí do vzduchu, často kašlem nebo kýcháním. Tuberkulóza je jedinou hlavní příčinou úmrtí na infekci, s výjimkou hlavních globálních pandemie způsobených viry.

„Za posledních 100 let jsme měli 1918 chřipku, epidemii HIV AIDS z roku 1981 a Pandemii SARS 2019 SARS,“ poznamenává Nathan. „Každý z těchto virů zabil obrovský počet lidí. A když se usadili, zůstali jsme s„ trvalou pandemií “tuberkulózy.“

Většina výzkumu tuberkulózy se soustředí na její patofyziologii – mechanismy, kterými bakterie přebírají a infikují hostitele – jako způsoby diagnostiky a léčby onemocnění. Pro svou novou studii se Nathan a Bourouiba zaměřili na přenos tuberkulózy z pohledu samotné bakterie, aby prozkoumali, na jakou obranu by se mohlo spolehnout, aby mu pomohlo přežít jeho vzdušný přenos.

„Toto je jeden z prvních pokusů podívat se na tuberkulózu z pohledu vzduchu, pokud jde o to, co se děje s organismem, na úrovni chránění před těmito náhlými změnami a velmi tvrdými biofyzikálními podmínkami,“ říká Bourouiba.

Kritická obrana

Na MIT studuje Bourouiba fyziku tekutin a způsoby, jak může dynamika kapiček šířit částice a patogeny. Spojila se s Nathanem, který studuje tuberkulózu, a geny, na které se bakterie spoléhají během svého životního cyklu.

Abychom získali zvládnutí toho, jak může tuberkulóza přežít ve vzduchu, zaměřil se tým napodobit podmínky, které bakterie zažívá během přenosu. Vědci se nejprve snažili vyvinout tekutinu, která má podobnou viskozitu a velikosti kapiček, jakou by pacient kašel nebo kýchal do vzduchu.

Bourouiba poznamenává, že velká část experimentální práce To bylo provedeno na tuberkulóze v minulosti, bylo založeno na kapalném roztoku, který vědci používají k růstu bakterií. Ale tým zjistil, že tato kapalina má a Chemické složení To se velmi liší od tekutiny, kterou pacienti s tuberkulózou skutečně kašli a kýchají do vzduchu.

Bourouiba navíc poznamenává, že tekutina běžně odebraná od pacientů s tuberkulózou je založena na sputu, který pacient vyplivne, například pro diagnostický test. „Tekutina je silná a hubená a to je to, co většina tuberkulózy považuje za to, co se děje v těle,“ říká. „Ale je to mimořádně neefektivní šíření na ostatní, protože je příliš lepkavé na to, aby se rozpadly do inhalačních kapiček.“

Prostřednictvím práce Bourouiba s fyzikou tekutin a kapiček určoval tým realističtější viskozitu a pravděpodobnou distribuci velikosti mikrodropletů přenášených tuberkulózou, které by se přenášely vzduchem. Tým také charakterizoval složení kapiček na základě analýz vzorků pacienta infikovaných plicních tkání. Poté vytvořili realističtější tekutinu se složením, viskozitou, povrchovým napětím a velikostí kapiček, která je podobná tomu, co by se uvolnilo do vzduchu z výdechu.

Poté vědci uložili různé směsi tekutin na desky v malých jednotlivých kapičkách a podrobně měřili, jak se vypařují a jakou vnitřní strukturu zanechávají. Zjistili, že nová tekutina měla tendenci chránit bakterie ve středu kapičky, když se kapička odpařila, ve srovnání s konvenčními tekutinami, kde bakterie měly tendenci být více vystaveny vzduchu. Realističtější tekutina byl také schopen udržet více vody.

Kromě toho tým naplnil každou kapičku bakteriemi obsahujícími geny s různými knockdowns, aby zjistil, zda by absence určitých genů ovlivnila přežití bakterií, jak se kapičky odpařovaly.

Tímto způsobem tým posoudil aktivitu více než 4 000 genů tuberkulózy a objevil rodinu několika stovek genů, která se zdála být důležitá, protože bakterie přizpůsobené vzdušné podmínkám. Mnoho z těchto genů se podílí na opravě poškození oxidovaných proteinů, jako jsou proteiny, které byly vystaveny vzduchu. Jiné aktivované geny se týkají ničení poškozených proteinů, které jsou mimo opravu.

„To, co jsme se objevili, byl seznam kandidátů, který je velmi dlouhý,“ říká Nathan. „Existují stovky genů, některé prominentnější zapojené než jiné, které mohou být kriticky zapojeny do pomoci tuberkulóze přežít její přenosovou fázi.“

Tým uznává, že experimenty nejsou úplným analogem biofyzikálního přenosu bakterií. Ve skutečnosti je tuberkulóza nesena v kapičkách, které létají vzduchem a odpařují se přicházející. Aby bylo možné provést své genetické analýzy, musel tým pracovat s kapičkami sedícími na talíři. Pod těmito omezeními napodobovali přenos kapiček, jak nejlépe dokázali, a nastavením desek do extrémně suché komory, aby zrychlily odpařování kapiček, analogické tomu, co by zažili při letu.

Do budoucna vědci začali experimentovat s platformami, které jim umožňují studovat kapénky za letu, v řadě podmínek. V ještě realističtějších experimentech se plánují zaměřit na novou rodinu genů, aby potvrdili, zda Geny Opravdu štít Mycobacterium tuberculosis, jak je přenášena vzduchem, a potenciálně otevírá cestu k oslabení jeho vzdušné obrany.

„Myšlenka čekat na nalezení někoho s tuberkulózou, poté je léčba a léčba a léčba, je naprosto neefektivní způsob, jak zastavit pandemii,“ říká Nathan. „Většina lidí, kteří vydechují tuberkulózu, zatím nemá diagnózu. Takže musíme přerušit jeho přenos. A jak to děláte, pokud o samotném procesu nic nevíte? Máme teď nějaké nápady.“

Tento příběh je znovu publikován s laskavým svolením MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), populární web, který zahrnuje zprávy o výzkumu, inovacích a výuce MIT.