Условия, моделирующие микрогравитацию, повышают патогенность сальмонеллы

Условия микрогравитации влияют на физиологию человека. Так, уже были показаны изменения в иммунной системе, функциях кишечника и составе микробиоты. Также подобные условия могут повышать вирулентность бактерий. Все эти факторы влияют на риск инфекций, и понимание этих процессов важно для успеха космических миссий. Однако мы еще многого не знаем о взаимодействии патогенов и организма-хозяина в условиях микрогравитации.

На клетки организма и на микроорганизмы, живущие в нем, действует внеклеточная жидкость, и это воздействие может изменять свойства клеток. Условия низкого напряжения сдвига, которые микроорганизмы испытывают в космическом полете, моделируются с помощью вращающегося биореактора (Rotating Wall Vessel bioreactor), в котором клетки постоянно поддерживаются в подвешенном состоянии. Бактерия Salmonella enterica serovar Typhimurium (S. Typhimurium), выращиваемая в таком биореакторе до поздней логарифмической фазы роста, обладает повышенной вирулентностью. В то же время экспрессия большинства генов, ассоциированных с вирулентностью, не повышается. Первые опыты показали, что ключевую роль в этих процессах играет РНК-связывающий шаперон Hfq, регулятор ответа на стресс. Американские ученые выращивали S. Typhimurium во вращающемся биореакторе, заражали 3D-культуру, моделирующую человеческий кишечник, и исследовали динамику заражения на молекулярном уровне.

Бактерии выращивали до стационарной фазы, после чего проводили РНК-секвенирование перед заражением. Авторы отметили изменение экспрессии 346 генов, в том числе связанных с подвижностью, хемотаксисом, патогенезом и клеточной адгезией. Так, гены, связанные с адгезией и инвазией, экспрессировались на более высоком уровне, а связанные с выживанием внутри клетки и трансмиссивностью — на более низком.

У бактерий с делецией гена Hfq значительно изменялся профиль экспрессии, но гены, связанные с патогенностью, подвижностью и хемотаксисом, также экспрессировались на более высоком уровне при выращивании во вращающемся биореакторе.

Авторы заражали S. Typhimurium 3D-культуру, моделирующую эпителий человеческого кишечника. Также к культуре подселяли макрофаги — иммунные клетки, которые сальмонелла таргетирует в первую очередь. Выращиваемые во вращающемся биореакторе бактерии заражали культуру успешнее — они лучше прикреплялись, внедрялись и выживали. Более того, бактерии с делецией Hfq, выращиваемые в биореакторе, тоже лучше заражали культуру, что интересно, так как это противоречит более ранним наблюдениям.

В ответ на инфекцию человеческие клетки также меняли экспрессию своих генов. Но если в клетках, зараженных контрольными бактериями, изменения достигали пика через три часа после инфекции и уменьшались к 24 часам после инфекции, то в клетках, зараженных бактериями из биореактора, изменения все время нарастали. Уровни транскриптов, ассоциированных с воспалением, ремоделированием тканей и заживлением ран, были повышены в клетках, зараженных бактериями из биореактора, включая CXCL1, CXCL8, IL-1β, IL1R1, IFIT1, FGG, FGB, MMP13, SPP1, NMU, CPM, C9 и IBTK. Через 24 часа после инфекции мутантные бактерии с делецией Hfq вызывали не так много изменений в профилях транскрипции, как бактерии дикого типа, выращиваемые во вращающихся биореакторах.

Новое исследование подтвердило данные о повышенной патогенности сальмонеллы, выращенной в условиях, которые имитируют микрогравитацию. Однако наблюдения, связанные со штаммом сальмонеллы с делецией Hfq, были неожиданными. Авторы показали, что на ранних стадиях инфекции рост патогенности бактерий не зависел от Hfq.