Do zakażenia wymagane są nowe struktury C. diff, które oferują nowe cele terapeutyczne

Do zakażenia wymagane są nowe struktury C. diff, które oferują nowe cele terapeutyczne

„Kule” magazynujące żelazo wewnątrz bakterii C. diff – głównej przyczyny zakażeń szpitalnych – mogą stać się nowymi celami dla leków przeciwbakteryjnych do zwalczania patogenu.

Zespół badaczy z Vanderbilt odkrył, że C. diff (Clostridioides difficile) wytwarza kulki zwane ferrosomami i że struktury te są ważne w procesie infekcji w modelu zwierzęcym. Odkrycia, o których doniesiono 15 listopada w czasopiśmie Nature, stanowią również rzadką demonstrację struktury związanej z błoną wewnątrz patogennej bakterii.

Od dawna uważano, że bakterie nie zawierają organelli (takich jak jądro, mitochondria i inne wyspecjalizowane struktury), jak komórki eukariotyczne, ale ten biologiczny dogmat wydaje się błędny.

„Pojawiający się pogląd, że bakterie faktycznie dzielą procesy biochemiczne na przedziały w sposób podobny do komórek eukariotycznych, naprawdę wywraca do góry nogami dziedzinę mikrobiologii” – powiedział dr Eric Skaar, MPH, profesor patologii Ernest W. Goodpasture i dyrektor Instytutu Vanderbilt w leczeniu infekcji, immunologii i stanów zapalnych.

Skaar, współautor do korespondencji, doktor Qiangjun Zhou, adiunkt w dziedzinie biologii komórki i rozwoju, oraz ich współpracownicy byli zaintrygowani odkryciami zgłoszonymi kilka lat temu, że niektóre bakterie środowiskowe wytwarzają ferrosomy zawierające żelazo.

Wiedzieli, że geny tych bakterii są zachowane w C. diff i innych bakteriach beztlenowych (bakterie, które giną w obecności tlenu), więc postanowili ustalić, czy C. diff wytwarza ferrosomy, aby zaspokoić swoje zapotrzebowanie na żelazo. Podobnie jak wszystkie żywe organizmy, C. diff potrzebuje żelaza, aby przetrwać i rosnąć. Skaar i jego zespół skupili się na tym, w jaki sposób patogeny takie jak C. diff nabywają żelazo i inne metale, mając na celu znalezienie nowych ścieżek, które można by wykorzystać do „zagłodzenia” patogenów niezbędnych składników odżywczych.

Według Centrów Kontroli i Zapobiegania Chorobom C. diff powoduje każdego roku około 500 000 infekcji i ponad 29 000 zgonów w Stanach Zjednoczonych, a możliwości leczenia są ograniczone. Osoby przyjmujące antybiotyki niszczące zdrowe drobnoustroje w jelitach są narażone na zwiększone ryzyko zakażenia C. diff, powodującego biegunkę i zapalenie okrężnicy. Skaar stwierdził, że potrzebne są nowe strategie leczenia tego pilnego zagrożenia zdrowia publicznego.

Aby poszukać żelaza w C. diff, naukowcy najpierw skorzystali z wiedzy i zasobów Instytutu Nauki i Inżynierii Nanoskali Vanderbilta (VINSE).

„Najlepszym sposobem poszukiwania akumulacji pierwiastków na małej przestrzeni, takiej jak komórka, jest metoda zwana STEM-EDS, która nie jest powszechnie stosowana w przypadku próbek biologicznych” – powiedział Skaar. „Mieliśmy szczęście, że mieliśmy dostęp do instrumentu STEM-EDS i współpracowników w VINSE i szybko udowodniliśmy, że w bakterii nagromadziły się „kropki” żelaza”.

Współautorzy, dr Hualiang Pi i dr Rong Sun, przeprowadzili badania, które wykazały, że te kropki żelaza reprezentują organelle ważne dla zakażenia C. diff.

Zespół Pi i Skaara odkrył, że do tworzenia ferrosomów potrzebne są dwa geny (fezA i fezB), które są podobne do tych występujących w bakteriach środowiskowych. Wykorzystując bakterie C. diff, którym brakuje tych genów, wykazano, że ferrosomy są niezbędne, aby C. diff mogła w pełni skolonizować i wywołać chorobę w modelu zwierzęcym. Odkryli, że ferrosomy były jeszcze ważniejsze w przypadku zakażenia C. diff w modelu nieswoistego zapalenia jelit, co wykazało, że te struktury zawierające żelazo pomagają bakterii zwalczać „odporność żywieniową” – reakcję gospodarza polegającą na wytwarzaniu białek wiążących żelazo i próbujących je zagłodzić patogen.

Zespół Suna i Zhou wykorzystał kriogeniczną mikroskopię elektronową (krio-EM) i kriotomografię, aby wykazać, że struktury ferrosomalne były otoczone błoną, klasyfikując je jako organelle.

Skaar zauważył, że „wyjątkowa geografia Vanderbilta” – bliskość ekspertów w dziedzinie inżynierii, biologii komórki i Centrum Medycznego – oraz specjalistyczne narzędzia do STEM-EDS i Cryo-EM umożliwiły przeprowadzenie badań.

Wyniki „ustalają powstawanie ferrosomów i wszystkie czynniki biorące udział w tworzeniu ferrosomów jako potencjalne cele dla nowych leków przeciwbakteryjnych przeciwko ważnej chorobie zakaźnej” – powiedział Skaar. „Za każdym razem, gdy odkrywamy nowe czynniki zaangażowane w interakcje żywiciel-patogen i pokazujemy, że są one ważne w przypadku infekcji, otwiera to zupełnie nowe możliwości tworzenia klas leków przeciwbakteryjnych, które nie istniały wcześniej. Jest to szczególnie ważne w obliczu rosnącej oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe które obserwujemy na całym świecie.”

W przyszłych badaniach naukowcy planują zbadać, w jaki sposób powstają ferrosomy, czy inne patogeny jelitowe wytwarzają ferrosomy i czy struktury te mogą być wspólne w jelitach jako źródło żelaza. Skaar jest również szczególnie zainteresowany badaniem powstającego obszaru organelli bakteryjnych.

„Uważamy, że nasze badanie stanowi rzadką demonstrację organelli w chorobotwórczej bakterii” – powiedział. „Teraz chcemy wiedzieć, czy w bakteriach istnieją inne przedziały subkomórkowe, które nas interesują, a które mogłyby nauczyć nas, w jaki sposób te komórki wykonują różne procesy fizjologiczne”.

Pi, były pracownik naukowy podoktorski w Vanderbilt, jest obecnie adiunktem w dziedzinie patogenezy drobnoustrojów w Yale School of Medicine. Sun jest doktorantem w dziedzinie biologii komórki i rozwoju. Inni autorzy artykułu w Nature to dr James McBride, dr Angela Kruse, dr Katherine Gibson-Corley, DVM, dr Evan Krystofiak, dr Maribeth Nicholson i dr Jeffrey Spraggins. Badania zostały wsparte grantami Narodowego Instytutu Zdrowia (R01AI073843, R01AI164587, U19AI174999, R01AI13858, R00MH113764, F32AI161860, K99AI168483 i K23AI156132).

Click to rate this post!
[Total: 0 Average: 0]
science