Исследователи из Стэнфорда показали, что бактерии, вызывающие инфекции мочевыводящих путей (ИМП), полагаются на новую химическую форму молекулы целлюлозы, которая прикрепляется к клеткам мочевого пузыря.
Вывод, опубликованный в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, может привести к новым способам лечения ИМП и других инфекций без антибиотиков.
Злоупотребление антибиотиками может привести к резистентности и воздействию на естественные бактерии, которые разделяют наши тела, называемые микробиомом, сказала соруководитель исследования Линетт Цегельски, доцент химии Стэнфордской школы гуманитарных наук и наук.«Существует много способов борьбы с болезнью, и если вы просто нацелитесь на стратегии вирулентности конкретной бактерии, вы все равно сможете предотвратить инфекцию, а также полностью устранить повреждение своего микробиома», - добавила она..
Производимая растениями, водорослями и некоторыми бактериями, целлюлоза является самым распространенным органическим полимером на Земле. Он также является одним из наиболее изученных, поскольку используется для производства всего, от бумаги до этанолового топлива. Таким образом, было удивительно, когда группа Цегельски объявила ранее в этом году, что они обнаружили химически уникальную форму целлюлозы, названную pEtN (по химической группе фосфоэтаноламин), в бактериях E. coli..
Это открытие, опубликованное в журнале Science, показало, что pEtN-целлюлоза является важным компонентом бактериальной биопленки, слизистого секрета, который бактерии используют для обмена питательными веществами и для защиты от антибиотиков и атак иммунной системы хозяина..
В новом исследовании группа Цегельски показала, что pEtN также играет важную роль в ИМП. ИМП является одним из наиболее распространенных инфекционных заболеваний во всем мире, и E. coli является одним из основных виновников.
«Наши эксперименты здесь показывают специфическую функцию целлюлозы, в которой она выполняет роль строительного раствора для повышения прочности адгезии бактерий с эпителиальными клетками мочевого пузыря», - сказал соруководитель исследования Джеральд Фуллер, Fletcher Jones II. Профессор инженерной школы.
Помощь из неожиданного источника
Открытие стало результатом случайной встречи на обеденном мероприятии в Стэнфорде, где Фуллер узнал, что группа Цегельски искала способ измерить, насколько сильно слой бактерий кишечной палочки прилипает к слою изолированных клеток мочевого пузыря. «О, я могу вам помочь», - вызвался Фуллер.
Несколькими годами ранее Фуллер разработал прибор, названный Live-Cell Monolayer Rheometer (LCMR), для исследования адгезии контактных линз к клеткам роговицы. «Мы хотели знать, прилипают ли клетки вашего глаза к нижней части контактных линз, когда вы их снимаете, и мы обнаружили, что это действительно так», - сказал Фуллер.
LCMR был разработан, чтобы привести стеклянную пластину в контакт с одним тонким слоем живых клеток, а затем поддерживать постоянное давление между ними. Подключенный микроскоп позволяет ученым наблюдать за клетками во время экспериментов, а нагреваемая нижняя пластина помогает поддерживать жизнь клеток.
Ученые поняли, что с помощью нескольких настроек инструмент Фуллера может достичь того, что задумал Цегельски. «Для этих экспериментов мы улучшили микроскопию, чтобы лучше визуализировать контакт между бактериями и слоем клеток мочевого пузыря во время измерений», - говорит первый автор исследования Эмили Холленбек, бывшая аспирантка групп Цегельски и Фуллера. «Это была важная проверка, чтобы убедиться, что мы всегда измеряем силы сцепления между этими очень тонкими слоями».
Заставить бактерии расти в один слой также оказалось сложной задачей, и Холленбек потребовалось несколько попыток, прежде чем она добилась успеха. «Создание однородных слоев бактерий и клеток мочевого пузыря было очень важно для получения воспроизводимых измерений LCMR», - сказал Холленбек.«Было особенно сложно создать эти однородные слои из материалов, которые постоянно растут и адаптируются к окружающей среде».
Разорвать порочный круг инфекции
В предыдущих исследованиях уже отмечалось, что целлюлоза pEtN и волокна клеточной поверхности, называемые завитками, сплетаются вместе, образуя биопленки кишечной палочки. А курли вызывают инфекции почек и сепсис. «Чем тяжелее инфекция, тем больше вероятность того, что эти бактерии образовывали завитки», - сказал Цегельски.
Цегельски хотел понять относительный вклад pEtN и curli в адгезию бактерий к клеткам-хозяевам и то, как они работают вместе во время инфекции. Чтобы ответить на эти вопросы, ее группа разработала серию экспериментов для проверки прочности сцепления завитков и целлюлозы как по отдельности, так и вместе.
В одном эксперименте они прикрепили кишечную палочку, биопленки которой содержали как целлюлозу, так и завитки, к верхней пластине LCMR, а затем привели ее в контакт с нижней пластиной, содержащей клетки мочевого пузыря. Затем ученые быстро срезали верхнюю пластину по горизонтали на небольшую величину, и получившийся уровень адгезионного напряжения дал им количественную меру «липкости» бактерий.
Они повторили эксперимент с генно-инженерной кишечной палочкой, чьи биопленки содержали только целлюлозу, и снова с верхней пластиной, которая содержала только завитки и не содержала бактерий.
Они обнаружили, что бактерии, производящие как завитки, так и целлюлозу, проявляли самую высокую силу адгезии, за ними следуют только завитки и, наконец, только целлюлоза. «Без целлюлозы клетки очень легко отделяются от бактерий», - сказал Фуллер. «Целлюлоза действует как клей, помогая скрепить все вместе».
Это открытие предполагает, что подход к лечению ИМП, который не включает антибиотики, может быть возможен. «Атака на целлюлозу может стать отличной альтернативой традиционным антибиотикам, поскольку предотвращение бактериальной адгезии может помочь разорвать цикл инфекции», - сказал Холленбек.«Этот тип лечения также позволяет избежать давления «жизни или смерти» традиционных антибиотиков, которые приводят к устойчивым к лекарствам мутациям».
Другие соавторы Стэнфордского исследования, озаглавленного «Фосфоэтаноламин целлюлозы усиливают курли-опосредованную адгезию уропатогенной кишечной палочки к эпителиальным клеткам мочевого пузыря», включают Алекса Антоноплиса, Чу Чай и Вирию Тонгсомбон..
Исследование финансировалось Стэнфордским центром молекулярного анализа и дизайна, Фондом наград за достижения для ученых колледжей и Национальным научным фондом.