Clostridioides difficile synchronizuje dwa mechanizmy obronne, aby przetrwać w jelicie

Clostridioides difficile musi przetrwać w jelicie w warunkach jednoczesnego działania mechanizmów obronnych gospodarza i konkurencji ze strony mikrobioty. Badacze z Vanderbilt Health opisali układ, który pozwala bakterii skoordynować odpowiedź na dwa różne zagrożenia: ograniczenie dostępności żelaza związane z odpornością żywieniową gospodarza oraz działanie bacytracyny, związku przeciwbakteryjnego wytwarzanego przez bakterie komensalne. Wyniki badań eksperymentalnych in vitro i na modelu mysim opublikowano w czasopiśmie Science Signaling.

Dwa równoczesne zagrożenia dla C. difficile w jelicie

Clostridioides difficile jest bakterią zdolną do wywoływania biegunki i zapalenia jelita grubego. W informacji prasowej Vanderbilt University Medical Center wskazano, że według danych Centers for Disease Control and Prevention w Stanach Zjednoczonych dochodzi do około pół miliona zakażeń C. difficile rocznie. Do grup zwiększonego ryzyka należą między innymi osoby przyjmujące antybiotyki, pacjenci niedawno hospitalizowani lub przebywający w placówkach opieki zdrowotnej oraz osoby w wieku powyżej 65 lat.

Z punktu widzenia biologii bakterii przewód pokarmowy nie jest jednak środowiskiem, w którym patogen może rozwijać się bez przeszkód. Musi jednocześnie reagować na mechanizmy obronne gospodarza oraz konkurować z rozbudowaną społecznością mikroorganizmów tworzących mikrobiotę jelitową.

Badacze z Vanderbilt Health skoncentrowali się na tym, w jaki sposób C. difficile integruje odpowiedź na dwa rodzaje stresu środowiskowego. Pierwszym jest ograniczanie przez gospodarza dostępności niezbędnych dla drobnoustrojów metali, w tym żelaza. Zjawisko to określane jest jako odporność żywieniowa gospodarza. Drugim jest ekspozycja na związek o działaniu przeciwbakteryjnym produkowany przez konkurujące mikroorganizmy.

„Zrozumienie, w jaki sposób C. difficile przystosowuje się do czynników stresowych występujących w jelicie, ma kluczowe znaczenie, jeśli chcemy zidentyfikować nowe cele dla terapii przeciwdrobnoustrojowych”.

Zespół Erica Skaara od lat bada mechanizmy, za pomocą których gospodarze kręgowi ograniczają bakteriom dostęp do metali będących składnikami odżywczymi, takich jak żelazo i cynk, oraz sposoby, w jakie bakterie przystosowują się do takiej presji.

Kompleks Bce uczestniczy w odpowiedzi na bacytracynę

W omawianym badaniu naukowcy zwrócili szczególną uwagę na mikrobiotę jelitową. Mikroorganizmy zasiedlające jelito konkurują o składniki odżywcze i przestrzeń, a część z nich może również wytwarzać związki ograniczające wzrost innych bakterii.

Badacze analizowali działanie bacytracyny – związku przeciwbakteryjnego produkowanego przez komensalną bakterię Bacillus licheniformis. W materiale prasowym podkreślono jednocześnie istotne zastrzeżenie: chociaż B. licheniformis występuje w ludzkim przewodzie pokarmowym, nie ustalono dotychczas, czy w tych warunkach rzeczywiście wytwarza bacytracynę.

Naukowcy zidentyfikowali wielobiałkowy kompleks określony jako moduł Bce, wykorzystywany przez C. difficile do odpowiedzi na obecność bacytracyny. W przeprowadzonych doświadczeniach układ ten okazał się niezbędny dla przeżycia bakterii w obecności B. licheniformis lub samej bacytracyny.

Zależność obserwowano zarówno w doświadczeniach in vitro, jak i w modelu mysim. Wynik sugeruje, że odpowiedź na związek przeciwbakteryjny produkowany przez konkurencyjny mikroorganizm nie jest dla C. difficile jedynie dodatkowym mechanizmem adaptacyjnym, lecz może odgrywać istotną rolę w zdolności patogenu do utrzymania się w środowisku jelita.

Niedobór żelaza i bacytracyna uruchamiają skoordynowaną odpowiedź

Jednym z najważniejszych wyników badania było stwierdzenie, że geny kodujące elementy modułu Bce nie są regulowane wyłącznie w odpowiedzi na obecność bacytracyny.

Ich ekspresja pozostawała pod kontrolą innego układu reagującego na niską dostępność żelaza. Oznacza to, że odpowiedź bakterii na presję wywieraną przez gospodarza i odpowiedź na związek przeciwbakteryjny pochodzący od mikrobioty są ze sobą funkcjonalnie powiązane.

Według badaczy oba mechanizmy obronne są synchronizowane i wspólnie wpływają na szlaki sygnałowe odpowiedzialne za utrzymanie ściany komórkowej bakterii.

Jest to istotne z punktu widzenia biologii patogenu, ponieważ wskazuje, że C. difficile nie musi odpowiadać niezależnie na każdy czynnik środowiskowy. Bakteria może integrować informacje o różnych zagrożeniach i uruchamiać skoordynowaną odpowiedź pozwalającą jej utrzymać procesy konieczne do przeżycia.

Ochrona przebudowy ściany komórkowej

Kluczowym elementem opisanej odpowiedzi okazała się ściana komórkowa bakterii. Badacze wykazali, że koordynacja reakcji na ograniczoną dostępność żelaza i na bacytracynę chroni proces jej przebudowy.

„Ściana komórkowa jest pierwszą linią obrony wszystkich organizmów bakteryjnych przed czynnikami stresowymi występującymi w środowisku. Odkryliśmy, że synchronizacja tych dwóch układów – odpowiedzi na odporność żywieniową oraz odpowiedzi na bacytracynę – chroni niezbędny proces przebudowy ściany komórkowej”.

„C. diff wyewoluował zdolność do wykrywania obu czynników stresowych zarówno niezależnie, jak i łącznie, aby utrzymywać odpowiednią ilość składników potrzebnych do budowy ściany komórkowej”.

Opisany mechanizm pokazuje więc, że dostępność składników odżywczych, konkurencja między drobnoustrojami oraz integralność struktur komórkowych bakterii mogą być elementami jednego skoordynowanego systemu adaptacyjnego.

Co wykazano w doświadczeniach in vitro i na modelu mysim?

Znaczenie modułu Bce oceniano w warunkach laboratoryjnych oraz na modelu zwierzęcym. Według informacji przekazanych przez autorów moduł był niezbędny dla przetrwania C. difficile w obecności B. licheniformis lub bacytracyny.

W modelu mysim bacytracyna ograniczała objawy zakażenia C. difficile, a badacze obserwowali również eliminację patogenu. Wynik ten stanowi jeden z powodów, dla których autorzy wskazują opisany układ jako potencjalny punkt wyjścia do dalszych badań nad nowymi strategiami profilaktycznymi lub terapeutycznymi.

Nie są to jednak dane kliniczne. Badanie zostało określone jako eksperymentalne, a jego przedmiotem były modele zwierzęce, uzupełnione doświadczeniami in vitro. Na podstawie przedstawionych wyników nie można więc wnioskować o skuteczności bacytracyny lub B. licheniformis w leczeniu zakażenia C. difficile u ludzi.

Potencjalne znaczenie terapeutyczne i ograniczenia

Autorzy zwracają uwagę na możliwość dalszego badania zarówno samej bacytracyny, jak i B. licheniformis jako potencjalnych elementów strategii skierowanych przeciwko C. difficile. W informacji prasowej wskazano, że wykorzystanie B. licheniformis jako szczepu probiotycznego wzrosło w ostatnich latach oraz że wcześniejsze badania obejmujące probiotyki zawierające ten mikroorganizm wskazywały na możliwość zmniejszenia kolonizacji C. difficile i zapobiegania nawrotom zakażenia.

Szczególnie interesująca z perspektywy przyszłych badań jest możliwość ingerencji nie tylko w sam patogen, ale w mechanizm, który umożliwia mu przetrwanie presji środowiskowej. Jeżeli moduł Bce lub powiązane z nim szlaki okażą się podatne na farmakologiczne zahamowanie, mogłyby potencjalnie zwiększać wrażliwość bakterii na związki wytwarzane przez konkurującą mikrobiotę.

„B. licheniformis można byłoby rozważać jako probiotyk u pacjentów z wysokim ryzykiem zakażenia C. diff. Możliwe jest również opracowanie leków ukierunkowanych na odkryty przez nas system, które mogłyby być stosowane razem z B. licheniformis, aby zarówno hamować zakażenie C. diff, jak i eliminować patogen”.

Sformułowanie to należy traktować jako hipotezę dotyczącą przyszłego kierunku rozwoju terapii, a nie rekomendację kliniczną. Omawiana praca dostarcza przede wszystkim danych mechanistycznych na temat przystosowania C. difficile do środowiska jelita.

Autorzy i ośrodek badawczy

Pierwszym autorem publikacji jest Martin Douglass, PhD, badacz pracujący w zespole Erica Skaara, PhD, MPH, dyrektora Vanderbilt Institute for Infection, Immunology and Inflammation. Eric Skaar, Ernest W. Goodpasture Professor of Pathology, jest autorem korespondencyjnym pracy.

Wśród współautorów znaleźli się również Lauren Melton, M. Wade Calcutt, PhD, Tess McNeely, Sarah Price, PhD oraz Matthew Munneke, PhD.

Badania były finansowane przez National Institutes of Health, Howard Hughes Medical Institute Hanna Gray Fellowship oraz Burroughs Wellcome Fund.

Źródła