Studie: Tuberkulóza využívá ochranné geny během přenosu vzduchem

Tuberkulóza se usazuje a daří se jí v plicích. Když se bakterie způsobující toto onemocnění vykašlou do vzduchu, ocitnou se v poměrně nepřátelském prostředí s dramatickými změnami okolního pH a chemie. Způsob, jak tyto bakterie přežívají svou cestu vzduchem, je klíčem k jejich přetrvávání, ale o tom, jak se chrání při přenosu z jednoho hostitele na druhého, se ví velmi málo.

Nyní výzkumníci z MIT a jejich spolupracovníci objevili skupinu genů, která se stává nezbytnou pro přežití konkrétně tehdy, když je patogen vystaven vzduchu, a pravděpodobně chrání bakterii během letu.

Mnohé z těchto genů byly dříve považovány za nepodstatné, protože se zdálo, že nemají žádný vliv na roli bakterií při způsobování onemocnění, když jsou injektovány do hostitele. Nová práce naznačuje, že tyto geny jsou skutečně nezbytné, ačkoli spíše pro přenos než pro proliferaci.

„Existuje slepá skvrna, kterou máme směrem k přenosu vzduchem, pokud jde o to, jak patogen může přežít tyto náhlé změny, když cirkuluje ve vzduchu,“ říká Lydia Bourouiba, vedoucí Laboratoře dynamiky tekutin přenosu nemocí, docentka stavebního a environmentálního inženýrství a strojírenství a členka fakulty Institutu pro lékařské inženýrství a vědu na MIT. „Nyní máme díky těmto genům představu o tom, jaké nástroje tuberkulóza používá k ochraně sebe sama.“

Výsledky týmu, které se objevily tento týden v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences, by mohly poskytnout nové cíle pro terapie tuberkulózy, které současně léčí infekci a brání přenosu.

„Kdyby lék cílil na produkt těchto stejných genů, mohl by účinně léčit jednotlivce a ještě předtím, než se daná osoba vyléčí, by mohl zabránit šíření infekce na další osoby,“ říká Carl Nathan, předseda oddělení mikrobiologie a imunologie a profesor mikrobiologie R. A. Rees Pritchett na Weill Cornell Medicine.

Nathan a Bourouiba jsou spoluautory studie, která zahrnuje spoluautory z MIT a Bourouibiny mentees ve Fluids and Health Network: spoluautorku postdoktorskou Xiaoyi Hu, postdoka Erica Shena a studentské mentees Robin Jahna a Luca Geurtse. Studie také zahrnuje spolupracovníky z Weill Cornell Medicine, University of California v San Diegu, Rockefeller University, Hackensack Meridian Health a University of Washington.

Pohled patogenu

Tuberkulóza je respirační onemocnění způsobené Mycobacterium tuberculosis, bakterií, která nejčastěji postihuje plíce a přenáší se kapénkami, které infikovaná osoba vydechuje do vzduchu, často kašlem nebo kýcháním. Tuberkulóza je hlavní příčinou úmrtí na infekci, s výjimkou velkých globálních pandemií způsobených viry.

„V posledních 100 letech jsme měli pandemii španělské chřipky z roku 1918, epidemii HIV/AIDS z roku 1981 a pandemii SARS-CoV-2 z roku 2019,“ poznamenává Nathan. „Každý z těchto virů zabil obrovské množství lidí. A když se jejich vliv uklidnil, zbyla nám „permanentní pandemie“ tuberkulózy.“

Většina výzkumu tuberkulózy se zaměřuje na její patofyziologii – mechanismy, kterými bakterie ovládají a infikují hostitele – a na způsoby diagnostiky a léčby onemocnění. Pro svou novou studii se Nathan a Bourouiba zaměřili na přenos tuberkulózy z pohledu samotné bakterie, aby zjistili, na jakou obranu se může spolehnout, aby jí pomohla přežít přenos vzduchem.

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

Kritická obrana

Na MIT Bourouiba studuje fyziku tekutin a způsoby, jakými dynamika kapek může šířit částice a patogeny. Spojila se s Nathanem, který studuje tuberkulózu a geny, na kterých bakterie závisí během svého životního cyklu.

Aby pochopili, jak může tuberkulóza přežít ve vzduchu, se tým snažil napodobit podmínky, kterým se bakterie vystavuje během přenosu. Výzkumníci se nejprve snažili vyvinout tekutinu, která je podobná viskozitou a velikostí kapek tomu, co by pacient vykašlal nebo kýchnul do vzduchu. Bourouiba poznamenává, že velká část experimentální práce, která byla v minulosti provedena na tuberkulóze, byla založena na tekutém roztoku, který vědci používají k pěstování bakterií. Tým však zjistil, že tato tekutina má chemické složení, které se velmi liší od tekutiny, do které pacienti s tuberkulózou skutečně kašlou a kýchnou.

Bourouiba dále poznamenává, že tekutina běžně odebíraná od pacientů s tuberkulózou je založena na sputu, které pacient vyplivne, například pro diagnostický test. „Tekutina je hustá a lepivá a to je to, co většina světa tuberkulózy považuje za představující to, co se děje v těle,“ říká. „Ale je to mimořádně neefektivní při šíření na další osoby, protože je příliš lepivá na to, aby se rozpadla na vdechovatelné kapénky.“

Díky Bourouibiné práci s fyzikou tekutin a kapek tým určil realističtější viskozitu a pravděpodobné rozložení velikosti mikrokapek nesoucích tuberkulózu, které by se přenášely vzduchem. Tým také charakterizoval složení kapek na základě analýz vzorků infikovaných plicních tkání od pacientů. Poté vytvořili realističtější tekutinu se složením, viskozitou, povrchovým napětím a velikostí kapek podobnou tomu, co by se uvolnilo do vzduchu výdechem.

Poté výzkumníci nanesli různé směsi tekutin na destičky v malých jednotlivých kapkách a podrobně změřili, jak se odpařují a jakou vnitřní strukturu zanechávají. Pozorovali, že nová tekutina měla tendenci chránit bakterie ve středu kapky, když se kapka odpařovala, ve srovnání s konvenčními tekutinami, kde byly bakterie více vystaveny vzduchu. Realističtější tekutina byla také schopna zadržet více vody.

Tým navíc naředil každou kapku bakteriemi obsahujícími geny s různými knockdowny, aby zjistil, zda by absence určitých genů ovlivnila přežití bakterií, když se kapky odpařily.

Tímto způsobem tým posoudil aktivitu více než 4 000 genů tuberkulózy a objevil skupinu několika stovek genů, které se zdály být důležité konkrétně při adaptaci bakterií na podmínky ve vzduchu. Mnoho z těchto genů se podílí na opravě poškození oxidovaných proteinů, jako jsou proteiny, které byly vystaveny vzduchu. Jiné aktivované geny mají co do činění s ničením poškozených proteinů, které nelze opravit.

„Co jsme objevili, byl kandidátský seznam, který je velmi dlouhý,“ říká Nathan. „Existují stovky genů, některé jsou prominentněji zapojeny než jiné, které se mohou kriticky podílet na tom, aby tuberkulóza přežila svou fázi přenosu.“

Tým si uvědomuje, že experimenty nejsou úplným analogem biofyzikálního přenosu bakterií. Ve skutečnosti se tuberkulóza přenáší kapénkami, které létají vzduchem a odpařují se. Aby mohli provést své genetické analýzy, musel tým pracovat s kapkami sedícími na destičce. Za těchto podmínek napodobili přenos kapek co nejlépe, a to tak, že destičky umístili do extrémně suché komory, aby urychlili odpařování kapek, analogicky k tomu, co by zažily během letu.

V budoucnu výzkumníci začali experimentovat s platformami, které jim umožňují studovat kapky v letu za různých podmínek. Plánují se zaměřit na novou skupinu genů v ještě realističtějších experimentech, aby potvrdili, zda geny skutečně chrání Mycobacterium tuberculosis, když se přenáší vzduchem, a potenciálně tak otevírají cestu k oslabení jeho obrany ve vzduchu.

„Myšlenka čekat, až najdeme někoho s tuberkulózou, pak ho léčit a vyléčit, je naprosto neefektivní způsob, jak zastavit pandemii,“ říká Nathan. „Většina lidí, kteří vydechují tuberkulózu, ještě nemají diagnózu. Takže musíme přerušit její přenos. A jak to uděláte, když o samotném procesu nic nevíte? Nyní máme nějaké nápady.“

Tato práce byla částečně podporována Národními instituty zdraví, programem Abby a Howarda P. Milsteina v chemické biologii a translační medicíně a nadací Potts Memorial Foundation, Národním vědeckým centrem pro analýzu a predikci rozšiřování pandemie (APPEX), Inditex, Translačním výzkumným institutem NASA pro kosmické zdraví a Analog Devices, Inc.