Микробиом радиоактивных вод и другие новости недели

Диагностика

1. Тайские и британские ученые разработали CRISPR-тест для диагностики мелиоидоза — тропической инфекции, которую вызывает бактерия Burkholderia pseudomallei. Смертность от этой болезни составляет 10–50%, а «золотым стандартом» диагностики считается бактериальный посев. Сначала ученые провели обсервационное исследование в больнице Таиланда, куда в период с 1 октября 2019 по 31 декабря 2022 года поступило 876 пациентов с мелиоидозом. Для подтверждения диагноза по посеву требовалось 3–5 дней, и 23% пациентов умерли, не дождавшись диагноза. Далее исследователи протестировали эффективность теста CRISPR-BP34 на 114 пациентах с подтвержденным мелиоидозом и 216 пациентах без него. Тест основывался на изотермической амплификации ДНК патогена и на его сайт-специфической детекции с помощью фермента Cas12a. CRISPR-тест позволил сократить время постановки диагноза до 1,1 дней в случае образцов крови, до 2,3 часов в случае образцов мочи и до 3,3 часов при использовании секретов из органов дыхания, гноя и других телесных жидкостей. Чувствительность теста CRISPR-BP34 составила 93% по сравнению с 66,7% для посева, а специфичность — 96,8% по сравнению со 100% для посева.

Вирусология

2. Американские и бразильские ученые описали патофизиологию инфекции вирусом чикунгунья (CHIKV), который передается комарами. Исследователи проанализировали образцы крови, спинномозговой жидкости и тканей 32 человек, которые погибли от CHIKV, а также образцы сыворотки 39 пациентов, переживших инфекцию, и 15 здоровых контролей. CHIKV поражал селезенку, легкие, печень, почки и сердце. Гистопатология выявила значительные повреждения мозга. У погибших от CHIKV в крови повышался уровень провоспалительных цитокинов, но при этом возрастала и концентрация IL-10, который, напротив, является противовоспалительным. У всех трех групп пациентов отличались метаболомы и протеомы сыворотки, что позволило высказать предположения о механизме заболевания и причинах тяжелого протекания инфекции. Исследователи также выяснили, что вирусные частицы CHIKV способны преодолевать гематоэнцефалический барьер, нарушая его проницаемость и ослабляя экспрессию белков, обеспечивающих плотные контакты между эндотелиальными клетками. Инфекция также способствовала инфильтрации зараженных лимфоцитов и моноцитов в мозг.

Подробнее — на PCR.News.

Микробиом

3. Американские ученые показали, что микробиота кишечника защищает от патогенной кишечной палочки через триптофан и дофаминовый рецептор. Мышей заражали бактерией Citrobacter rodentium, которая используется для моделирования инфекции патогенной кишечной палочкой. Когда мышей кормили пищей, богатой триптофаном, в их кишечнике обнаруживалось меньше C. rodentium и снижалось воспаление. Если же мышам давали антибиотик, чтобы убить микробиоту кишечника, то тогда диета, богатая триптофаном, не защищала животных от инфекции. Масс-спектрометрия выявила три бактериальных метаболита триптофана, которые защищали мышей от инфекции, когда им давали их в пищу.

С помощью биоинформатики ученые нашли белки, которые могут связываться с метаболитами триптофана. Ими оказались дофаминовые GPCR-рецепторы DRD2, DRD3 и DRD4. Эксперименты на клетках кишечного эпителия человека показали, что главную роль в этом процессе играл рецептор DRD2, а метаболиты триптофана имеют к нему высокое сродство, сравнимое с дофамином. У мышей с нокаутом по DRD2 не было защиты от патогенных кишечных бактерий. Тот же эффект наблюдался при введении антагониста DRD2, в то время как при применении агониста эффект был таким же, как при употреблении метаболитов триптофана. Механизм защиты состоял в том, что при употреблении триптофана или его метаболитов в клетках кишечника мышей снижалась экспрессия белка N-WASP, регулирующего актин, и число актиновых выступов, за которые прикрепляются патогенные бактерии. Эта регуляция обеспечивалась через DRD2.

4. Международная группа ученых отследила разнообразие бактерий, расщепляющих целлюлозу, в микробиоте кишечника людей. Проанализировав 92 143 метагеномов людей, ученые нашли три ранее неизвестных вида руминококков — бактерий, расщепляющих целлюлозу в специальных целлюлосомах: Ruminococcus primaciens, R. hominiciens и R. ruminiciens. R. hominiciens в основном встречалась у людей и приматов-гоминид, а R. primaciens — у древних людей и обезьян. В целом эти бактерии были характерны для микробиоты людей, живущих в сельской местности, либо для древних охотников и собирателей, в то время как у современных людей, живущих в индустриальном обществе, такие руминококки встречаются редко.

По предположениям ученых, найденные руминококки перешли к людям от жвачных животных. Эти бактерии способны к адаптации к пищевым привычкам носителя и, возможно, могут «заимствовать» гены других бактерий, обитающих в кишечнике. Например, руминококки, встречающиеся у приматов, но не у людей, могут разлагать хитин — компонент экзоскелета насекомых, которыми такие приматы питаются. А руминококки, живущие в кишечнике людей, могут разрушать растительные волокна однодольных растений: кукурузы, риса и пшеницы.

5. Японские ученые совместно с российскими коллегами проанализировали микробные сообщества, живущие в радиоактивных водах АЭС Фукусимы, где в 2011 году из-за цунами произошла авария. Они отобрали образцы воды из подвала под вторым энергоблоком и провели секвенирование ампликонов 16S рРНК с помощью портативного секвенатора MinION. Если сравнивать с микробиомом морской воды, в энергоблоке АЭС разнообразие бактерий было значительно снижено. При этом 70% из идентифицированных в АЭС родов были ассоциированы с коррозией металла. Например, в воде из энергоблока нашли бактерии родов Limnobacter, которые окисляют тиосульфат, и Brevirhabdus, которые окисляют марганец. При этом, несмотря на высокий радиационный фон, бактерии Limnobacter thiooxidans, наиболее филогенетически близкие к тем, которые живут в Фукусиме, не обладали никакой особой устойчивостью к радиации. В целом микробиом вод Фукусимы оказался смесью естественных морских сообществ и сообществ бактерий, которые часто встречаются в сточных водах.

Терморецепторы

6. Американские ученые выяснили, что каинатный рецептор GluK2 нужен для восприятия холода и боли. Они проверяли поведение мышей с нокаутами по GluK2 и (или) TRPM8 — еще одного рецептора холода, который активируется ментолом. Все три нокаутные мыши нормально реагировали на механические стимулы, тепло и жар. Мыши с нокаутом по TRPM8 плохо ощущали прохладную (15–30℃) температуру, при этом мыши с нокаутом по GluK2 или TRPM8 нормально реагировали на холод (<15℃). Это связано с тем, что TRPM8 и GluK2 могут выполнять функции восприятия холода взаимозаменяемо. Однако у мышей с нокаутом обоих рецепторов нарушалось восприятие холода. Мыши, у которых отсутствовал GluK2, также не воспринимали боль от холода (0℃). In vitro и in vivo эксперименты показали, что GluK2 выполняет свои термочувствительные функции в нейронах спинального ганглия: если рецептор удаляли только из них, то наблюдались результаты, схожие при нокауте гена во всем организме.

GluK2 может быть как ионотропным, так и метаботропным рецептором. Обычно в ЦНС он выполняет свои функции, связанные с синаптической пластичностью, как ионотропный рецептор глутамата. Однако в нейронах спинального ганглия, обеспечивая восприятие холода, GluK2 может вести себя как метаботропный рецептор, передающий сигналы через G-белок. Это необычно для терморецепторов, которые обычно являются ионными каналами. Еще одна особенность GluK2 — его гомологи широко представлены и у позвоночных, и у беспозвоночных, и даже у бактерий. Например, в 2019 году та же группа ученых установила, что GLR-3, гомолог GluK2, — рецептор холода у нематод. Из-за такого широкого распространения этого белка по древу жизни ученые считают, что восприятие холода было его первичной, древней функцией.

7. Еще одна исследовательская группа сосредоточила внимание на рецепторе прохлады TRPM8, представленном в ротовой полости. Мышам с интактным TRPM8 и с нокаутом по нему давали пить жидкости разных температур, а затем отслеживали активность нейронов каудального ядра тройничного нерва. У контрольных мышей были выявлены нейроны, которые возбуждались в ответ на холод (<10℃) или на прохладу (<30℃). У мышей же с нокаутом по TRPM8 сохранялись нейроны, реагирующие на холод, но не на прохладу, что подтверждает наличие еще одного рецептора холода. При этом исследователи отметили, что у мышей с нокаутом по TRPM8 нарушалось восприятие не только прохлады, но и тепла: прохладные жидкости казались им теплыми. Из-за этого такие мыши избегали и теплых, и прохладных жидкостей, предпочитая им холодные, в то время как мыши с интактным TRPM8 одинаково реагировали на холодные и прохладные жидкости, но избегали теплых. Это указывает на роль TRPM8 в различении тепла и прохлады.

Сердце

8. Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) получили атлас клеток развивающегося сердца человека. С помощью секвенирования РНК отдельных клеток (scRNA-seq) и MERFISH (мультиплексная устойчивая к ошибкам флуоресцентная гибридизация in situ) исследователи проанализировли 142 946 отдельных клеток сердца. Их получали из образцов органов, находящихся на 9–16 неделях развития. В результате ученые подробно описали процесс развития сердца, при котором исходные типы клеток подразделялись на субпопуляции со специализированными функциями. Этот атлас клеток сердца может стать инструментом для ученых, которые исследуют патологии развития сердца или создают органоиды.

Репродуктология

9. Зубатые киты — единственная группа млекопитающих, кроме человека, для которой характерна менопауза. Британские ученые задались вопросом, почему и для чего у китов возник этот период. У них было две гипотезы: менопауза появилась либо из-за увеличения общего срока жизни, либо из-за сокращения репродуктивного периода. Исследователи проанализировали данные о смертности 32 видов зубатых китов, а также определили длительность репродуктивного периода у 18 видов зубатых китов. В результате оказалось, что виды с менопаузой дольше живут, то есть менопауза у зубатых возникла из-за увеличения срока жизни, как и в случае с человеком. Еще один важный вывод, который сделали ученые после анализа демографии китов, состоял в том, что благодаря менопаузе «бабушки» могут заботиться о «внуках» — потомстве более молодых китов. За счет этого сокращается конкуренция между самками разных поколений за самцов.

Подробнее — на PCR.News.

10. Zona pellucida («блестящая оболочка») — это оболочка яйцеклеток, которая состоит из гликопротеинов ZP1, 2, 3 и 4 и препятствует оплодотворению яйцеклеток более чем одним сперматозоидом. Ранее было известно, что в ходе этого процесса яйцеклетка выбрасывает наружу фермент, отщепляющий полипептидный фрагмент от ZP2, а после оболочка клетки уплотняется. Теперь международная группа ученых показала подробности этого процесса. С помощью рентгеновской кристаллографии и электронной криомикроскопии они определили структуры белков группы ZP для человека, мышей, лягушек Xenopus и японских медаков. В результате оказалось, что отщепление полипептидного фрагмента от ZP2 приводит к олигомеризации этих молекул. Из-за этого филаменты других белков группы ZP сближаются более чем в 7 раз, что и уплотняет оболочку яйцеклетки. При этом защита яйцеклетки от проникновения в нее сперматозоидов сугубо механическая, хотя ранее считалось, что разрезание ZP2 мешает сперматозоидам связываться с поверхностью яйцеклетки.

Результаты исследования могут помочь понять причины бесплодия. Так, мутации в генах, кодирующих белки ZP, могут приводить не только к нарушению взаимодействия между ними, но и к дефектам созревания яйцеклетки.

Онкология

11. Американские ученые разработали чувствительные к контексту наночастицы для невирусной доставки плазмиды CRISPR-Cas9 в клетки трижды негативного рака молочной железы. Цель такой терапии — нокаут гена FOXC1, кодирующего транскрипционный фактор, который регулирует эпителиально-мезенхимальный переход в раковых клетках. Таргетирование этого белка затруднительно из-за того, что он находится в ядре и структурно похож на другие белки. Проблему таргетной доставки ученые решили за счет создания липидных наночастиц из цвиттер-ионных аминофосфолипидов. Эти липиды приобретают положительный заряд только в кислой среде опухолевого микроокружения, что нарушает стабильность мембраны и помогает наночастицам выйти из эндосом. Чтобы снизить возможную побочную токсичность, на поверхность липидных наночастиц ученые добавили аптамер к мембранному белку EpCAM — маркеру раковых клеток. Действие наночастиц проверяли как in vitro на клетках, так и in vivo на мышиных моделях с ксенографтами. В результате ученые добились нокаута FOXC1 в опухоли.

12. Исследователи из Университета Джонса Хопкинса (США) создали алгоритм машинного обучения ARTEMIS для выявления повторяющихся элементов генома, характерных для рака, как в опухолевых тканях, так и в бесклеточной ДНК. Сначала ученые проанализировали 1,2 миллиарда k-меров из 2 837 образцов ткани или крови от 1 975 пациентов с разными видами рака. Это позволило найти специфичные для рака изменения в повторяющихся элементах, в том числе в транспозонах и сателлитной ДНК. Хотя некоторые изменения уже были описаны ранее, 820 из них оказались новыми. В особенности такие повторы часто встречались в драйверных генах, что приводило к изменению структуры белков или эпигенетическим нарушениям.

Далее исследователи оценили, можно ли применить ARTEMIS для диагностики рака. Алгоритм смог отличить опухолевые ткани от нормальных для 525 пациентов с AUC 0,96, а также диагностировать рак легких или печени по образцам крови двух групп из 287 и 208 пациентов с AUC 0,82 и 0,87 соответственно. Точность метода улучшалась при совместном применении с алгоритмом DELFI, разработанным ранее той же группой ученых для анализа бесклеточной ДНК в контексте рака. ARTEMIS и DELFI также смогли совместно определить тип рака по образцам крови 226 пациентов со средней точностью 68%. Ее удалось повысить до 83%, когда модели разрешили выдвигать два наиболее вероятных варианта типа рака, а не один.

13. На прошлой неделе были опубликованы результаты клинических испытаний CAR T-терапии против IL-13Rα2 для лечения рецидивирующей глиомы, в том числе глиобластомы. На этой неделе две группы исследователей опубликовали результаты фазы 1 клинических испытаний еще двух типов CAR T-терапии глиобластомы, которые позволяют повысить ее эффективность. В одной из работ предложили использовать бивалентную CAR T-терапию против EGFR и IL-13Rα2, что позволяет более эффективно таргетировать гетерогенную опухоль. Терапию проверили на шести пациентах, которым вводили CAR T-клетки субарахноидально. Уже через 1–2 суток у всех пациентов опухоли уменьшились. В ряде случаев течение болезни стабилизировалось, хотя у некоторых пациентов и были рецидивы. Подробнее — на PCR.News.

Второй подход к улучшению эффективности CAR T-терапии состоял в использовании BiTE — биспецифических антител, способных активировать Т-клетки. Это позволяет обходить имуносупрессивное окружение опухолей. Ученые применяли CAR T-клетки против специфического для глиобластомы варианта EGFRvIII, причем клетки также могли экспрессировать BiTE против EGFR дикого типа. Такие CAR T-клетки вводили трем пациентам через внутрижелудочковую инфузию. Во всех случаях опухоли уменьшались в течение нескольких дней, однако у двух из трех пациентов после терапии вновь происходили рецидивы. Подробнее — на PCR.News.

Фиброз и генеративный ИИ

14. Ученые компании Insilico Medicine совместно с коллабораторами разработали ингибитор TNIK для лечения идиопатического легочного фиброза. Для поиска мишени исследователи применяли ИИ PandaOmics, который проанализировал базы мультиомиксных данных, полученных из клинических образцов пациентов с фиброзом легких. В результате в качестве мишени была выбрана протеинкиназа TNIK, связь которой с фиброзом уже описывали ранее в литературе, хотя этот белок никогда не рассматривался в качестве мишени для терапии. Затем ученые обратились к генеративному ИИ Chemistry 42, который предложил структуры малых молекул, способных ингибировать киназный домен TNIK. Наиболее многообещающей оказалась молекула INS018_055, у которой была наилучшая растворимость в воде, наименьшая токсичность, а IC50 находился в наномолярном диапазоне.

Чтобы валидировать действие препарата, ученые провели 13 доклинических экспериментов in vitro и in vivo. Ингибитор TNIK оказался эффективен для лечения фиброза не только легких, но и почек и кожи, при этом он также обладал противовоспалительным эффектом. Ученые также проверили разные пути введения препарата, включая пероральный, ингаляционный, а также местное применение. Для оценки фармакокинетики препарата исследователи провели в Австралии нулевую фазу клинических испытаний, где оценивали влияние микродоз. А для оценки безопасности препарата они провели в Новой Зеландии и Китае первую фазу клинических испытаний — рандомизированное, двойное слепое и плацебо-контролируемое исследование. Сейчас ученые запустили две вторые фазы клинических испытаний препарата, которые проводятся параллельно в США и Китае. На всю работу, от поиска мишени и дизайна молекулы до начала клинических испытаний, исследователи затратили всего 18 месяцев, что демонстрирует потенциал применения ИИ для разработки лекарств.