Имитатор выдоха создает облако кашля (на фото выше), имитирующее частицы, выделяемые человеком. Траектория движения составляет три метра от источника. Любезно предоставлено доктором Лидией Буруйба, Массачусетский технологический институт.
По словам исследователей, бактерии туберкулеза опираются на семейство генов, которые помогают им пережить сложный путь от легких одного человека к легким другого во время кашля, чихания или разговора. Полученные результаты открывают новые возможности для лечения туберкулеза, которые могут одновременно лечить инфекцию и предотвращать распространение бактерий.
До сих пор было очень мало известно об этом процессе передачи инфекции, когда капли, содержащие бактерии, выбрасываются в воздух, где они должны выдерживать изменения температуры, уровня кислорода, влажности и химического состава. Исследование впервые показало, что бактерии туберкулеза не пассивно переносят эти изменения, а активно задействуют сотни генов для адаптации и выживания.
Многие идентифицированные гены ранее считались неважными, поскольку они, по-видимому, не играют роли в прогрессировании заболевания при инфицировании человека. Новое исследование предполагает, что эти гены необходимы для успешной передачи инфекции от человека к человеку.
“Если бы лекарство было нацелено на те же самые гены, оно могло бы эффективно лечить человека и даже до того, как этот человек будет вылечен, предотвращать распространение инфекции на других”, — сказал соавтор исследования доктор Карл Натан, заведующий кафедрой микробиологии и иммунологии и профессор микробиологии Р.А. Рис Притчетт. в медицинском центре Вейл-Корнелл.
До сих пор большая часть исследований туберкулеза была сосредоточена на его патофизиологии — механизмах, которые бактерии используют для заражения организма—хозяина, а также на способах диагностики и лечения этого заболевания. “У нас есть слабое место в отношении передачи инфекции воздушно-капельным путем, с точки зрения того, как патоген может пережить эти внезапные изменения, когда он циркулирует в воздухе”, — сказал соавтор исследования доктор Дж. Лидия Буруйба, руководитель лаборатории гидродинамики передачи заболеваний, входящей в сеть «Жидкости и здоровье», и профессор кафедры гражданского строительства, охраны окружающей среды и машиностроения Института медицинской инженерии и науки Массачусетского технологического института. “Теперь, благодаря этим генам, мы имеем представление о том, какие средства использует туберкулез для самозащиты”.
Чтобы более точно понять механизм передачи бактерий, доктор Натан, ведущий специалист в области туберкулеза и генов, на которые бактерии опираются на протяжении всего своего жизненного цикла, объединил усилия с доктором Буруибой, экспертом в области биофизики, изучающим, как капельные частицы и патогены могут распространяться воздушно-капельным путем.
Раскрывая механизмы выживания
Миобактерия туберкулеза вызывает респираторное заболевание, которое ежегодно приводит к более чем миллиону смертей во всем мире. Бактерии чрезвычайно заразны и распространяются через микрокапли, выделяемые в воздух инфицированным человеком. Капли могут вдыхаться находящимися поблизости людьми.
Большинство предыдущих экспериментальных работ по туберкулезу были основаны на бактериях, выращенных в лабораторных условиях. Но команда обнаружила, что эта жидкость сильно отличается по химическому составу от реальных микроплодоносов, выделяемых из пациентов с туберкулезом. Они также удаляли мокроту, вязкую жидкость, которую пациент выплевывает, часто для диагностического теста, потому что она слишком густая и липкая, чтобы распадаться на капли, которые можно вдыхать.
Исследователи разработали более реалистичную жидкость, основанную на анализе инфицированных тканей легких пациентов. По составу, вязкости, поверхностному натяжению и размеру капель она похожа на ту, которую пациент выдыхает в воздух.
Затем они использовали эту жидкость для нанесения различных смесей на пластины крошечными отдельными капельками и детально измерили, как они испаряются. Чтобы имитировать то, что происходит с каплями в полете, пластины поместили в чрезвычайно сухую камеру для ускорения испарения. Каждая капля содержала другой штамм бактерий с определенным геном, который был отключен, чтобы увидеть, какие гены повлияли на выживание бактерий при испарении капель.
Из 4000 протестированных генов они обнаружили семейство из нескольких сотен, которые, по-видимому, становятся важными только тогда, когда бактерии туберкулеза попадают в воздушно-капельную среду. Гены помогают им адаптироваться к реальной жидкости, атмосферным изменениям при перемещении из глубины легких в воздух и стрессу, связанному с испарением.
Гены дают ключ к контролю повреждений
Исследователи обнаружили, что многие гены, от которых зависит выживание бактерий, участвуют в восстановлении поврежденных окисленных белков, таких как белки, подвергшиеся воздействию воздуха, или в разрушении поврежденных белков, не подлежащих восстановлению. Другая группа генов помогает бактериям противостоять высыханию, превращаясь в микрокапли.
“У нас получился очень длинный список кандидатов”, — сказал доктор Натан. “Существуют сотни генов, некоторые из которых задействованы в большей степени, чем другие, и которые могут быть критически важны для того, чтобы помочь туберкулезу пережить фазу передачи”.
Исследователи отметили, что эти эксперименты не являются полной моделью передачи бактерий воздушно-капельным путем. В дальнейшем исследователи разработали и начали эксперименты, которые позволяют им изучать испарение во время полета капель. Эта более точная платформа поможет подтвердить, защищают ли недавно открытые гены M. tuberculosis при передаче инфекции, что потенциально может привести к разработке лечения, блокирующего эти защитные механизмы.
“Идея ждать, пока у кого-то выявят туберкулез, а затем лечить его, является абсолютно неэффективным способом остановить пандемию”, — сказал доктор Натан. “У большинства людей, которые выделяют бактерии туберкулеза, диагноз еще не установлен. Поэтому мы должны прервать его передачу. И как вы это делаете, если ничего не знаете о самом процессе? Теперь у нас есть кое-какие идеи”.
Многие врачи и ученые Weill Cornell Medicine поддерживают отношения и сотрудничают с внешними организациями для содействия научным инновациям и предоставления экспертных рекомендаций. Учреждение публикует эти данные для обеспечения прозрачности. Для получения этой информации, пожалуйста, ознакомьтесь с профилем доктора Карла Натана.
Источник: Weill Cornell Medicine
