В новом исследовании, проведенном в лаборатории доцента Мелхи Меллата в Институте биодизайна при Университете штата Аризона, ведущий автор Алисса К. Стейси и ее коллеги изучают одного такого бактериального врага — птичьего патогена Escherichia coli (APEC).Исследование, проведенное в сотрудничестве с учеными из Университета Флориды в Гейнсвилле, опубликовано в текущем выпуске журнала PLOS ONE.
Исследователи нацелены на конкретную группу нитевидных волокон, известных как обыкновенные пилусы E. coli (ECP), которые украшают поверхность бактериальных клеток. В первом исследовании такого рода они проанализировали, как эти структуры способствуют способности APEC вызывать инфекцию и формировать плотные клеточные агрегаты, известные как биопленки.Инфекции APEC представляют серьезную угрозу для домашней птицы, вызывая как системные, так и локализованные инфекции, известные под общим названием колибактериоз.
Эти заболевания приводят к значительным экономическим потерям для птицеводства из-за затрат на лечение инфицированных птиц, снижения уровня яйценоскости и смертности.Кроме того, инфекции APEC могут представлять опасность для людей из-за их зоонозного потенциала — их способности заражать людей-хозяев. Поэтому лучшее понимание инфекционной способности (или вирулентности) и зоонозного потенциала имеет важное значение для борьбы с этими опасными патогенами.
Стейси была студентом в лаборатории доктора Меллата и частично финансировалась Школой биологических исследований бакалавриата (SOLUR) АГУ.
К ней присоединились исследователи биодизайна Натали М. Митчелл, Джейкоб Т. Мэддакс и Рой Кертисс III (который руководит Центром инфекционных заболеваний и вакцинологии Института).Птичья патогенная E. coli (APEC) принадлежит к широкой группе внекишечных патогенных штаммов E. coli (ExPEC).
Колибактериоз, вызываемый APEC у птиц, приводит к серьезным заболеваниям, часто поражающим дыхательную систему птиц, вызывая системные или локализованные инфекции в зависимости от возраста и пола птицы, иммунологического здоровья и различных факторов окружающей среды.Поскольку формы APEC и ExPEC человека обладают важными характеристиками вирулентности, возможная зоонозная передача представляет собой серьезную проблему для здоровья. APEC может также служить резервуаром для генов вирулентности, которые могут быть приобретены человеческими штаммами.
Многие типы бактерий производят внеклеточные поверхностные волокна, такие как ECP, позволяя им прикрепляться друг к другу, а также к различным поверхностям. Но такие волокна или пили выполняют другие жизненно важные функции, особенно в случае болезнетворных бактерий. Пили, включая те, которые выступают с поверхности E. coli, способны распознавать специфические рецепторы клетки-хозяина во время их начальной фазы колонизации.
Бактерии в дальнейшем используют свои пили для образования клеточных биопленок. Такие бактериальные агрегаты имеют клиническое значение, поскольку они служат резервуарами для патогенных организмов, которые могут сохраняться в организме хозяина, и часто проявляют повышенную устойчивость к антибиотикам.
Обыкновенная пилюса E. coli (ECP) была первоначально идентифицирована как форма ExPEC, которая, как известно, вызывает неонатальный менингит у людей, но позже была признана компонентом всех классов E. coli — как патогенных, так и доброкачественных.Хотя бактерии E. coli существуют в основном как полезные жители кишечника человека, внекишечные варианты несут ответственность за диарейные заболевания, такие как геморрагический колит, а также инфекции мочевыводящих путей, неонатальный менингит, сепсис и пневмонию.
Ущерб от таких болезней, особенно в развивающихся странах, велик и уносит около 2,5 миллионов жизней в год. Большинство этих жертв — дети.Настоящее исследование основано на исследованиях ТЭК как in vitro, так и in vivo.
Цель состояла в том, чтобы определить распространенность ECP среди штаммов APEC и оценить его вклад на ранней стадии образования биопленок и распознавания клеток-хозяев. Кроме того, в исследовании оценивалась роль ECP в вирулентности цыплят.Новое исследование впервые демонстрирует преобладание ecpA, гена, кодирующего основную структурную субъединицу ECP в большинстве изученных последовательностей APEC. (Сложная архитектура волокон ECP состоит из 6 отдельных структурных субъединиц.) С помощью методов ПЦР группа протестировала 167 штаммов APEC, полученных от кур и индеек, пораженных колибактериозом, 76 процентов из которых дали положительный результат на ecpA, что ранее было ассоциированный с патогенной кишечной палочкой человека.
Авторы подчеркивают, что результаты подтверждают, что штаммы APEC и патогенные для человека штаммы E. coli имеют общие черты вирулентности. Они также предполагают, что ecpA может способствовать сохранению бактерий E. coli в кишечнике, где они существуют в безопасном состоянии, прежде чем мигрировать в другие, внекишечные участки, становясь патогенными.
Было показано, что условия окружающей среды, включая низкий pH, низкую температуру роста и высокую концентрацию ацетата, повышают экспрессию ECP в штаммах E. coli человека, которые вызывают инфекции мочевыводящих путей, менингит и диарейные заболевания. В текущем исследовании было обнаружено, что штамм APEC прилипает к клеткам шейки матки человека аналогично инфекциям ExPEC человека. Кроме того, результаты показали, что нанесение на APEC антител против ECP — процесс, известный как опсонизация, — может значительно подавить прикрепление бактерий. Это открытие предполагает, что ECP можно рассматривать как потенциальный антиген для вакцин против инфекций человека и птицы.
Образование биопленок — обычное свойство бактерий, в том числе у E. coli, адаптация которых увеличивает выживаемость внутри и вне хозяина и обеспечивает идеальную среду для обмена генетическим материалом. Бактерии, образующие биопленки, часто проявляют устойчивость к антибиотикам и могут быть стойкими противниками, с которыми нужно бороться с медицинской точки зрения.
Было показано, что делеция генов, связанных с ECP, снижает образование биопленок.Наконец, в исследовании была предпринята попытка оценить вирулентность APEC у цыплят с использованием штаммов с удаленными генами ECP. Результаты показывают снижение вирулентности.
Фактически, вероятность колонизации среди штаммов с делецией ECP была снижена, особенно в кровотоке.Новая работа демонстрирует множество ролей ECP в APEC и, таким образом, представляет собой вероятную мишень для будущих терапевтических средств, направленных на эти серьезные инфекции как людей, так и животных.
«Наше исследование ясно показало, что, хотя ген ECP был обнаружен в большом количестве APEC, эти бактерии по-разному экспрессируют этот ген, когда они находятся в контакте с клетками или в биопленке», — говорит Меллата. «Выяснение того, как экспрессия некоторых генов включается или выключается различными факторами, поможет нам понять, как эти бактерии вызывают заболевания».