Tuberkuliozė gyvena ir klesti plaučiuose. Kai liga sukelia bakterijas, kurios virsta oru, jos yra nukreiptos į palyginti priešišką aplinką, o drastiški jų aplinkinių pH ir chemijos pokyčiai. Tai, kaip šios bakterijos išgyvena savo ore esančią kelionę, yra raktas į jų atkaklumą, tačiau labai mažai žinoma apie tai, kaip jos apsaugo save, nes jie veržiasi nuo vieno šeimininko į kitą.
Dabar MIT tyrėjai ir jų bendradarbiai atrado genų šeimą, kuri tampa būtina išgyvenimui būtent, kai patogenas yra veikiamas ore, greičiausiai apsaugodamas bakteriją skrydžio metu.
Daugelis šių genų anksčiau buvo laikomi neesminiais, nes neatrodė, kad jie neturėjo jokios įtakos bakterijų vaidmeniui sukeliant ligą, kai jie švirkščiami į šeimininką. Naujasis darbas rodo, kad šie genai iš tikrųjų yra būtini, nors ir perduodant, o ne proliferacijai.
„Yra aklas taškas, kurį mes turime perduoti ore, kalbant apie tai, kaip patogenas gali išgyventi šiuos staigius pokyčius, kai jis cirkuliuoja ore“, – sako Lydia Bourouiba, kuri yra Ligų perdavimo laboratorijos skysčių dinamikos vadovė, Civilinės ir aplinkos inžinerijos dėstytoja ir MIT mokslo docentė. „Dabar per šiuos genus turime prasmę, kokias priemones Tuberculosis naudoja norėdama apsaugoti.”
Komandos rezultatai, pasirodę šią savaitę Nacionalinės mokslų akademijos leidiniaigalėtų suteikti naujų tikslų tuberkuliozės gydymui, kuris tuo pačiu metu gydo infekciją ir užkirstų kelią perdavimui.
„Jei vaistas būtų nukreiptas į tų pačių genų produktą, jis galėtų veiksmingai gydyti asmenį, ir dar prieš tai išgydant tą asmenį, jis galėtų neleisti infekcijai plisti kitiems“, – sako Carlas Nathanas, Mikrobiologijos ir imunologijos katedros katedros ir Ra Rees Pritchettsorė Mikrobiologijos profesorius Weill Cornell Medicine.
Nathanas ir Bourouiba yra vyresniojo tyrimo autoriai, į kuriuos įeina MIT bendraautoriai ir „Bourouiba“ bendraautoriai skysčiuose ir sveikatos tinkle: bendražygis autorius Postdoc Xiaoyi Hu, Postdoc Ericas Shenas ir studentai Mentėjai Robinas Jahnas ir Lucas Geurtsas. Tyrime taip pat yra „Weill Cornell Medicine“, Kalifornijos universiteto San Diege, Rokfelerio universiteto, Hackensacko „Meridian Health“ ir Vašingtono universiteto bendradarbiai.
Patogeno perspektyva
Tuberkuliozė yra kvėpavimo takų liga, kurią sukelia Mycobacterium tuberculosis – bakterija, kuri dažniausiai daro įtaką plaučiams, ir perduodama per lašelius, kuriuos užkrėstas individas išstumia į orą, dažnai kosulniai ar čiaudint. Tuberkuliozė yra viena pagrindinė mirties priežastis nuo infekcijos, išskyrus pagrindines pasaulines pandemijas, kurias sukelia virusai.
„Per pastaruosius 100 metų mes turėjome 1918 m. Gripą, 1981 m. ŽIV AIDS epidemiją ir 2019 m. SARS COV2 pandemiją“, – pažymi Nathanas. „Kiekvienas iš šių virusų nužudė daugybę žmonių. Ir kai jie apsigyveno, mums liko„ nuolatinė tuberkuliozės pandemija “.
Didžioji dalis tuberkuliozės tyrimų sutelkia dėmesį į jos patofiziologiją – mechanizmus, kuriais bakterijos perima ir užkrečia šeimininką, taip pat būdus, kaip diagnozuoti ir gydyti ligą. Savo naujam tyrimui Nathanas ir Bourouiba daugiausia dėmesio skyrė tuberkuliozės perdavimui iš pačios bakterijos perspektyvos, kad ištirtų, kokiomis gynybomis ji gali pasikliauti, kad padėtų išgyventi savo ore esančią perdavimą.
„Tai yra vienas iš pirmųjų bandymų pažvelgti į tuberkuliozę iš ore esančios perspektyvos, atsižvelgiant į tai, kas vyksta su organizmu, yra apsaugotas nuo šių staigių pokyčių ir labai atšiaurių biofizinių sąlygų“, – sako Bourouiba.
Kritinė gynyba
MIT metu Bourouiba tiria skysčių fiziką ir būdus, kaip lašelių dinamika gali skleisti daleles ir patogenus. Ji kartu su Nathanu, kuris tiria tuberkuliozę, ir genus, kuriais bakterijos remiasi per visą savo gyvenimo ciklą.
Norėdami susitvarkyti, kaip tuberkuliozė gali išgyventi ore, komanda siekė imituoti sąlygas, kurias bakterija patiria perduodant. Pirmiausia tyrėjai išsivysto skystį, kuris yra panašus klampumo ir lašelių dydžio, kaip ir tai, ką pacientas kosėja ar čiaudėjo į orą.
Bourouiba pažymi, kad didžioji dalis eksperimentinio darbo, kuris praeityje buvo atliktas tuberkuliozės, buvo pagrįstas skystu tirpalu, kurį mokslininkai naudoja bakterijoms auginti. Tačiau komanda nustatė, kad šis skystis turi cheminę sudėtį, kuri labai skiriasi nuo skysčio, kurį tuberkuliozės pacientai iš tikrųjų kosėja ir čiaudėja į orą.
Be to, Bourouiba pažymi, kad iš tuberkuliozės sergančių pacientų dažniausiai imamas skystis yra grindžiamas skrepliu, kurį pacientas išspjauna, pavyzdžiui, atlikti diagnostinį testą. „Skystis yra storas ir gooey, ir tai yra tai, ką dauguma tuberkuliozės pasaulio mano, kad vaizduoja tai, kas vyksta kūne“, – sako ji. „Tačiau tai yra nepaprastai neveiksminga plinta kitiems, nes jis yra per daug lipnus, kad galėtų įsiveržti į įkvepiamus lašelius.”
Vykdydama Bourouiba darbą su skysčių ir lašelių fizika, komanda nustatė tikroviškesnį tuberkuliozės nešančių mikrodropletų klampumą ir tikėtiną dydį, kuris bus perduodamas ore. Komanda taip pat apibūdino lašelių kompozicijas, remdamasis užkrėstų plaučių audinių pacientų mėginių analizėmis. Tada jie sukūrė realistiškesnį skystį, turintį kompoziciją, klampumą, paviršiaus įtempimą ir lašelių dydį, panašų į tai, kas būtų išleidžiama į orą iš iškvėpimų.
Tada tyrėjai nusodino skirtingus skysčių mišinius ant plokštelių mažuose atskiruose lašeliuose ir išsamiai išmatuojo, kaip jie išgaruoja ir kokią vidinę struktūrą jie palieka. Jie pastebėjo, kad naujas skystis buvo linkęs apsaugoti bakterijas lašelio centre, kai lašelis išgaravo, palyginti su įprastais skysčiais, kuriuose bakterijos buvo labiau veikiamos oro. Realistiškesnis skystis taip pat galėjo išlaikyti daugiau vandens.
Be to, komanda užpilo kiekvieną lašelį bakterijomis, kuriose yra genų, turinčių įvairius numušimus, norėdama išsiaiškinti, ar tam tikrų genų nebuvimas paveiks bakterijų išgyvenimą, nes lašeliai išgaruos.
Tokiu būdu komanda įvertino daugiau nei 4000 tuberkuliozės genų aktyvumą ir atrado kelių šimtų genų šeimą, kuri, atrodo, tapo svarbi būtent, nes bakterijos pritaikytos ore esančioms sąlygoms. Daugelis šių genų yra susiję su oksiduotų baltymų, tokių kaip baltymai, kurie buvo veikiami oro, pažeidimą. Kiti aktyvuoti genai yra susiję su pažeistų baltymų, kuriems nepaisoma, sunaikinimas.
„Tai, ką mes pasirinkome, buvo labai ilgas kandidatų sąrašas“, – sako Natanas. „Yra šimtai genų, kai kurie labiau matomi nei kiti, kurie gali būti kritiškai susiję padedant tuberkuliozei išgyventi jos perdavimo fazę.”
Komanda pripažįsta, kad eksperimentai nėra išsamus bakterijų biofizinio perdavimo analogas. Realybėje tuberkuliozė nešama lašeliais, kurie skraido oru, išgaruojant. Siekdama atlikti savo genetinę analizę, komanda turėjo dirbti su lašeliais, sėdinčiais ant lėkštės. Remdamiesi šiais apribojimais, jie mėgdžiojo lašelių transmisiją kuo geriau, nustatydami plokšteles ypač sausoje kameroje, kad pagreitintų lašelių išgarinimą, analogišką tam, ką jie patirs skrydžio metu.
Eidami į priekį, tyrėjai pradėjo eksperimentuoti su platformomis, leidžiančiomis joms studijuoti lašelius skrydžio metu, įvairiomis sąlygomis. Jie planuoja sutelkti dėmesį į naują genų šeimą dar realistiškesniuose eksperimentuose, kad patvirtintų, ar genai iš tikrųjų skamba Mycobacterium tuberculosis, nes jis perduodamas ore, o tai gali atverti kelią susilpninti savo ore esančią gynybą.
„Idėja laukti, kol surasite tuberkuliozę, tada juos gydyti ir išgydyti, yra visiškai neveiksmingas būdas sustabdyti pandemiją“, – sako Nathanas. „Daugumai žmonių, iškviečiančių tuberkuliozę, dar neturi diagnozės. Taigi, mes turime nutraukti jo transmisiją. Ir kaip jūs tai darote, jei nieko nežinote apie patį procesą? Dabar turime keletą idėjų.”
Ši istorija yra pakartotinai paskelbta „MIT News“ (Web.mit.edu/Newsoffice/), populiarios svetainės, apimančios naujienas apie MIT tyrimus, inovacijas ir mokymą, sutikimu.