|
Легочный монстр. Найдан самый смертоносный штамм туберкулеза. Найдены причины высокой устойчивости туберкулезной палочки к лекарствам и иммунному ответу человека
|
Российские ученые обнаружили самый опасный штамм возбудителя туберкулеза, который отличается от остальных вариантов высокой летальностью. Однако этот штамм почти не встречается за пределами Республики Бурятии, хотя и регистрировался несколько раз в других местах. «Лента.ру» подробно рассказывает об исследовании штамма возбудителя одной из самых опасных болезней, получивших пандемический размах.
Скрытая болезнь
Возбудителем туберкулеза является палочка Коха, или Mycobacterium tuberculosis, поражающая не только легкие, но и другие органы. Инфекция передается воздушно-капельным путем при кашле, чихании или сплевывании мокроты, и достаточно вдохнуть лишь несколько микробов, чтобы микроб поселился в организме. Считается, что около четверти всего населения мира являются носителями M.tuberculosis, но не болеют туберкулезом и не представляют опасности для окружающих. Однако у каждого из этих людей может развиться активная форма инфекции с вероятностью 5-15 процентов. Россия входит в число 22 стран мира с наименее благоприятной ситуацией по заболеваемости туберкулезом и занимает третье место по количеству случаев устойчивой к лекарствам формы болезни.
Штаммы M.tuberculosis способны инфицировать различные виды млекопитающих и проявлять себя различными симптомами и общим патогенезом. Для наблюдения за изменениями в вирулентности различных штаммов применяются экспериментальные модели инфекции с использованием мышей. Исследования на животных показали значительные различия между штаммами микобактерий, и, хотя их результаты нельзя напрямую экстраполировать на людей из-за различий в патогенезе у людей и мышей, они помогли улучшить понимание патогенеза и проявления болезни.
Пекинская разновидность
Генотип Beijing (Пекин) является наиболее изученным среди всех филогенетических линий M.tuberculosis из-за его широкого распространения. Штаммы, относящиеся к этой линии, делятся на две сублинии: предковую и современную. Предыдущие исследования продемонстрировали связь сублиний с различными патологическими и клиническими характеристиками, которые влияют на передаваемость (трансмиссивность) конкретных штаммов в человеческих популяциях. Разнообразие вирулентности на мышиной модели ранее было продемонстрировано для различных штаммов и линий M.tuberculosis.
Долгое время считалось, что генотип Beijing генетически однороден, однако исследования продемонстрировали его разнообразие, а его определенные подтипы отличаются клинической или эпидемиологической значимостью. В пределах генотипа Beijing его древние и современные штаммы различаются по вирулентности, что также частично зависит от происхождения штамма.
Исследование, проведенное в Бразилии и Мозамбике, странах с низкой распространенностью штаммов Beijing, показало, что современная сублиния отличается высокой патогенностью, в отличие от низковирулентной предковой линии. К ней относятся российский штамм Beijing B0/W148, CAO (Central Asian Outbreak), Central Asian/Russian. Однако вирулентность вариантов древней сублинии остается довольно малоизученной. Современная подлиния Beijing распространена по всему миру и включает несколько хорошо известных эпидемических или эндемических генетических кластеров. Напротив, штаммы ранней древней подлинии генотипа Beijing редко встречаются за пределами Восточной Азии.
Мышиный эксперимент
Исследователи изучили вирулентность российских штаммов M.tuberculosis, относящихся к древней сублинии Beijing: варианты 6691 (кластер 1071-32) из Омска и 396 (кластер 14717-15) из Бурятии, а также референс-штамм H37Rv. Были проведены две серии экспериментов для изучения патогенных свойств изолятов M.tuberculosis в моделях роста in vitro (в пробирке) и in vivo на мышах C57BL/6. Эти генетически модифицированные мыши часто используются в качестве моделей болезней человека. Скорости роста бактерий оценивали in vitro для 14 штаммов M.tuberculosis. Штаммы были выделены из респираторного материала пациентов с инфильтративным или фиброзно-кавернозным туберкулезом легких.
В первой серии наблюдали 144 мыши, по 48 мышей для каждого из трех изученных штаммов M.tuberculosis. Животных умерщвляли группами по шесть мышей на 1-й, 3-й, 7-й, 14-й, 21-й, 28-й, 60-й и 120-й дни. Затем было проведено вскрытие и забор стерильных образцов легких и селезенки для дальнейшего культивирования микобактерий. Вторая серия состояла из 60 мышей, то есть по 20 мышей на линию. Естественная смерть животных регистрировалась в течение 200 дней после заражения. Умершие при исследовании животные были подвергнуты вскрытию с исследованием внутренних органов.
Смертельная нагрузка
Изученные штаммы недавно привлекли внимание из-за их неожиданно сильной связи с резистентностью к антибиотикам и увеличением заболеваемости среди местного населения в азиатской части России. Отмечено, что более высокая вирулентность современных штаммов Beijing была основана на их способности вызывать тяжелую патологию легких, а не на повышенном росте бактерий в легких. Аналогичным образом в другом российском исследовании бактериальная нагрузка после заражения штаммами Beijing была низкой.
Полученные результаты демонстрируют поразительно контрастирующие патогенные особенности этих двух кластеров с точки зрения летальности и вирулентности. Оказалось, что бурятский вариант приводил к гибели большого числа животных, в организме которых также наблюдалась высокая бактериальная нагрузка и значительные патологии легких и селезенке. Эти результаты противоречат предыдущим исследованиям, согласно которым нагрузка и патологии были слабо связаны друг с другом.
Таким образом, вариант 14717-15 является наиболее смертоносным из всех российских генотипов M.tuberculosis. Данные о миграции людей из Бурятии показывают, что регион покинули 402 700 человек с начала 1990-х годов (при населении 985 900 человек), переселившись в более развитые регионы. Эта ситуация подчеркивает потенциальную возможность распространения этого штамма за пределы Бурятии в результате массового оттока населения. Несмотря на это, штамм почти не регистрируется где-либо еще за исключением редких спорадических инфекций в Сибири и на Дальнем Востоке, которые, однако, не получили распространение. Соответственно, этот гипервирулентный и гиперлетальный штамм широко распространен в Бурятии и не передается где-либо еще.
С другой стороны, другой изученный штамм 6691 из Омска принадлежит к кластеру 1071-32 с множественной лекарственной устойчивостью и относительно широко распространен в разных странах бывшего Советского Союза, но хорошо заметен только в Западной Сибири. Эта ситуация подтверждает традиционную теорию, согласно которой мутации, способствующие устойчивости к лекарственным средствам, снижают приспособленность и вирулентность.
***
Многие исследователи все больше склоняются к тому, что эра антибиотиков постепенно подходит к концу, и люди вновь окажутся беззащитными перед опасными и смертоносными инфекциями, включая туберкулез. Ситуацию осложняет то, что бактерии способны легко обмениваться генами через горизонтальный перенос ДНК, придающими им устойчивость к лекарствам. Действенные антибиотики — один из самых ценных ресурсов человечества, который может быстро оказаться в дефиците, поэтому следует сделать все возможное, чтобы затормозить распространение резистентных штаммов.
Найдены причины высокой устойчивости туберкулезной палочки к лекарствам и иммунному ответу человека
Консорциум ученых из России, Беларуси, Японии, Германии и Франции под руководством старшего преподавателя Сколтеха Натальи Струшкевич провел исследование, в ходе которого было установлено, что туберкулезная палочка (бактерия Mycobacterium tuberculosis) способна выживать в условиях дефицита железа благодаря рубредоксину B − белку из семейства рубредоксинов, играющих важную роль в адаптации бактерий к меняющимся внешним условиям. Работа проводилась в рамках исследований, посвященных изучению роли ферментов M. tuberculosis в развитии устойчивости бактерии к лекарственным препаратам и иммунному ответу человека.
По результатам исследования опубликована статья в журнале Bioorganic Chemistry. По уровню смертности туберкулез превосходит все остальные инфекционные заболевания, о чем свидетельствуют данные ВОЗ, согласно которым ежегодно в мире туберкулезом заболевают 10 миллионов человек, а умирает около 1,5 миллиона. Возбудитель туберкулеза — бактерия Mycobacterium tuberculosis, способная выживать в макрофагах − клетках иммунной системы, пожирающих чужеродные для человека бактерии.
Отмечающийся в последние десятилетия рост устойчивости M. tuberculosis к применяемым лекарственным препаратам стал серьезной проблемой для ученых и медиков. Для ее решения необходим поиск принципиально новых молекул-мишеней лекарственных соединений, а также понимание молекулярных механизмов, приводящих к возникновению лекарственной устойчивости.
Старший преподаватель Центра Сколтеха по научным и инженерным вычислительным технологиям для задач с большими массивами данных (CDISE) Наталья Струшкевич и ее коллеги исследовали кристаллическую структуру и функции рубредоксина B (RubB) − металлопротеина, который позволяет обеспечить нормальное функционирование белков семейства цитохром P450 (CYP) в условиях дефицита железа при образовании гранулем (безуспешная попытка иммунной системы человека побороть туберкулез). Ученые предположили, что бактерия M. tuberculosis способна «переключаться» на железосодержащий белок RubB в стрессовых условиях, и таким образом выживать и сохранять свои патогенные свойства.
«На протяжении длительного периода параллельной эволюции с млекопитающими бактерия M. tuberculosis «придумала» множество способов, как блокировать или обойти врожденный иммунный ответ хозяина – от распознавания механизмов антибактериальной и фагосомной защиты внутри инфицированных макрофагов до адаптивных иммунных ответов антигенпрезентирующих клеток.
«Процессы поглощения, хранения и утилизации железа не только являются неотъемлемыми условиями поддержания патогенности бактерии M. tuberculosis, но и могут способствовать возникновению новых штаммов со множественной и широкой лекарственной устойчивостью. В качестве источника железа M. tuberculosis предпочитает гем, который также является кофактором для различных метаболических ферментов.
Полученные нами экспериментальные данные указывают на наличие связи между рубредоксином B и гемсодержащими монооксигеназами, имеющими важное значение для метаболизма иммунных оксистеринов хозяина и противотуберкулезных препаратов. Мы предположили, что бактерия M. tuberculosis имеет собственную систему трансформации ксенобиотиков, аналогичную системе метаболизма лекарственных соединений у человека», − рассказывает Наталья Струшкевич.
По ее словам, в настоящее время при создании лекарственных средств крайне востребованы новые мишени. К их числу относятся и ферменты семейства цитохром P450, которые можно использовать для разработки противотуберкулезных препаратов. Найти простое решение этой задачи при помощи классических методов вряд ли возможно. Наличие нового редокс-партнера, такого как RubB, позволит лучше понять, как эти ферменты функционируют в различных микросредах хозяина, и затем использовать полученную информацию для поиска новых способов их избирательного блокирования у M. tuberculosis.
В предыдущих исследованиях консорциума было показано, что один из белков семейства цитохром Р450, функционирование которого поддерживает RubB, способен нейтрализовать действие препарата SQ109, который проходит клинические испытания как лекарственное средство для лечения туберкулеза со множественной лекарственной устойчивостью. Еще одно исследование было посвящено изучению механизма, с помощью которого бактерия M. tuberculosis перехватывает сигнальные молекулы иммунной системы человека, что создает серьезные препятствия для создания новых лекарственных препаратов.
Исследование проводилось с участием специалистов Токийского университета, Института биоорганической химии НАН Беларуси, Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ, Научно-исследовательского института биомедицинской химии имени В. Н. Ореховича, Российского национального исследовательского медицинского университета имени Н. И. Пирогова, Института обработки биологической информации (IBI-7: структурная биохимия), Юлихского центра структурной биологии, Юлихского научно-исследовательского центра и Европейского центра синхротронного излучения (ESRF).
