Молочнокислые бактерии помогли мышатам победить холеру
Американские биологи показали, что возбудитель холеры Vibrio cholerae плохо себя чувствует в присутствии молочнокислых бактерий Lactococcus lactis и гибнет. Как пишут ученые в Science Translational Medicine, выживаемость зараженных холерой мышат, которыех кормили L.lactis, почти вдвое выше, чем у животных из контрольной группы. Другая группа американцев создала быстродействующую вакцину против холеры и проверили ее эффективность на кроликах.
Холера вызывается бактериями Vibrio cholerae, которые поражают тонкую кишку. Для заболевания характерны рвота и диарея, вызывающие быструю потерю жидкости и обезвоживание организма. Инфекция передается через зараженную воду, а также при прямом контакте, причем тяжелая форма холеры может привести к смерти — в 2010 году, по данным ВОЗ, в мире зарегистирировано 3-5 миллионов случаев заболевания, до 130 тысяч больных умерли.
Заболевшим, во избежание обезвоживания, дают обильное питье и растворы электролитов. Холеру лечат и антибиотиками. Кроме того, уменьшить вирулентность холерных вибрионов у мышат могут генномодифицированные бактерии кишечной палочки. Однако эффективны ли в борьбе с холерой бактерии, входящие в состав кишечного микробиома, до сих пор было непонятно.
Известно, что в состав кишечного микробиома входят лактобактерии и бифидобактерии. В больших количествах эти бактерии защищают тонкую кишку от патогенов, и позволяют диагностировать кишечные инфекции на ранних стадиях. Кроме того, исследования показали, что холерный вибрион плохо переносит кислую среду. В частности, часть патогенов гибнет, попадая в желудок (в состав желудочного сока входит слабый раствор соляной кислоты).
Медики и биологи из MIT и Гарвардского университета под руководством Джеймса Коллинза (James J. Collins) решили воспользоваться уязвимостью возбудителя холеры. Они предположили, что лактобактерии, вырабатывающие молочную кислоту могут защитить кишечник от патогена и, как минимум, ослабить течение болезни.
Сначала исследователи проверили гипотезу на бактериальных культурах. Они вырастили вместе культуры холерного вибриона и лактобактерий Lactococcus lactis и убедились, что лактобактерии подавляют рост возбудителя холеры. Также ученые проверили, что в качестве активного вещества выступает именно молочная кислота. Они снова выращивали культуры обоих бактерий, но на этот раз использовали генномодифицированные лактобактерии, которые расщепляли молочную кислоту. В этом случае культура холерного вибриона успешно выросла.
Затем авторы работы кормили лактобактериями мышат. 39 животным вводили культуры возбудителя холеры и L.lactis одновременно, 19 животным сначала вводили холерный вибрион, и через пять часов — лактобактерии, а 37 мышатам из контрольной группы вводили только культуру патогена. В результате, через 42 часа после заражения выживаемость экспериментальных животных оказалась почти вдвое выше (84,6 процента), чем выживаемость мышат из контрольной группы (45,7 процента). При этом не играло роли, в какой последовательности вводили лактобактерии: одновременно или после холерного вибриона.
Кроме того, исследователи сконструировали сигнальную систему, позволяющую определять даже небольшие количества холерного вибриона в кишечнике. Они поместили в геном лактобактерий L.lactis ген рецептора фермента CAI-1, специфичного для рода Vibrio. CAI-1 запускает коммуникацию между бактериями и образование бактериальных пленок, то есть служит показателем того, что в кишечнике уже присутствует некоторое количество бактерий холерного вибриона. В синтетических лактобактериях CAI-1 вызывал синтез не только белка-рецептора, но и белка-репортера, который помогал определить наличие патогенов в фекалиях.
Другая группа исследователей создала эффективную вакцину против холеры, которая замедляет течение болезни и ослабляет симптомы. Медики из Гарвардского университета и Института медицинских исследований Говарда Хьюза под руководством Мэтью Валдора (Matthew Waldor) взяли за основу разновидность холерного вибриона, которая вызвала эпидемию на Гаити в 2010 году. Ученые ослабили бактерию, удалив гены, отвечающие за вирулентность, и уменьшив ее способность к рекомбинации ДНК и переносу генов, отвечающих устойчивость к антибиотикам. Ее эффективность исследователи проверили на 16 крольчатах. Половине животных вводили новую вакцину, половине (контрольной группе) — раствор солей, а через сутки их инфицировали летальной дозой патогенных бактерий. У животных из контрольной группы в течение 18 часов развились симптомы тяжелой инфекции, в то время как у крольчат, которым вводили вакцину, никаких признаков болезни не появилось.
Два года назад в США одобрили первую вакцину против холеры, представляющую собой ослабленную культуру холерного вибриона разновидности О1, наиболее распространенной в мире.
Он повышает синтез высокомолекулярной гиалуроновой кислоты
Американские и российские исследователи обнаружили, что трансгенные мыши с повышенной экспрессией гена синтазы гиалуроновой кислоты от голых землекопов меньше подвержены спонтанному и индуцированному раку, дольше живут и дольше сохраняют здоровье. Кроме того, у таких животных значительно снижен уровень воспаления в различных тканях. Отчет о работе опубликован в журнале Nature. Голые землекопы (Heterocephalus glaber) выделяются среди грызунов крайне высокой продолжительностью жизни (в неволе — более 40 лет). Кроме того, у них слабее работают рецепторы внутреннего уха и механизмы торможения в нервной системе, зато замедлено клеточное старение и короче иммунная память (из-за чего у них больше наивных лимфоцитов для реакции на новые инфекции). Одно из главных отличий голых землекопов от других млекопитающих состоит в том, что они практически не болеют раком. Как было показано ранее, это связано с высоким содержанием в их тканях высокомолекулярной гиалуроновой кислоты. Этот гликозаминогликан составляет основу внеклеточного матрикса, участвует в пролиферации и миграции клеток, а также влияет на прогрессирование опухолей, причем его свойства зависят от молекулярной массы — высокомолекулярный обладает защитными свойствами, низкомолекулярный — наоборот. Голые землекопы продуцируют гиалуроновую кислоту с крайне высокой молекулярной массой (более 6,1 мегадальтона), которая оказывает мощную цитопротекцию. Чтобы проверить, производит ли она схожий эффект у других видов животных, сотрудники Университета Рочестера, Гарвардской медицинской школы, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Московского государственного университета под руководством Андрея Селуанова (Andrei Seluanov) и Веры Горбуновой (Vera Gorbunova) создали трансгенных мышей с управляемой повышенной экспрессией гена синтазы 2 гиалуроновой кислоты голого землекопа (nmrHas2). У самок и самцов таких животных наблюдалось повышенное содержание высокомолекулярной гиалуроновой кислоты в мышцах, сердце, почках и тонкой кишке; низкое — в печени и селезенке, утилизирующих ее. Тем не менее оно было ниже, чем у голых землекопов, что, вероятно, связано с более высокой активностью гиалуронидазы у мышей. Наблюдения в когортах из 80–90 животных показало, что экспрессирующие трансген nmrHas2 мыши умирают от спонтанного рака реже, чем обычные (57 против 70 процентов). Эта разница была еще заметнее у пожилых (старше 27 месяцев) животных — 49 против 83 процентов. В эксперименте по химической индукции кожного канцерогенеза нанесением 7,12-диметилбензантраценом (DMBA) и форбол-12-миристат-13-ацетатом (TPA) число папиллом на 21-й неделе от него у трансгенных мышей было почти вдвое меньше, чем у обычных. От пола животных подверженность раку не зависела. Масса тела животных из обеих групп в течение жизни не различалась. При этом экспрессирующие nmrHas2 мыши жили дольше, чем обычные — медианная продолжительность жизни у них была на 4,4 процента, а максимальная — на 12,2 процента больше. У животных женского пола сильнее различалась медианная продолжительность жизни (на девять процентов), а мужского — максимальная (на 16 процентов). Оценка эпигенетического возраста по паттернам метилирования ДНК в печени в возрасте 24 месяцев показала, что у трансгенных мышей он примерно на 0,2 года меньше хронологического. Животные из основной группы жили не только дольше жили, но и дольше оставались здоровыми. У них медленнее, чем в контрольной группе, возрастал интегральный индекс немощности (frailty index), который рассчитывается по 31 физиологическому показателю, и они в пожилом возрасте сохраняли подвижность и координацию движений в тесте на ротароде. Кроме того, у трансгенных самок замедлялось развитие остеопороза. Анализ транскриптомов различных органов и тканей экспрессирующих nmrHas2 пожилых мышей выявил особенности, присущие молодым животным, и пониженный уровень воспаления, связанного с возрастом. Молекулярные исследования показали, что высокомолекулярная гиалуроновая кислота производит противовоспалительные и иммунорегулирующие эффекты, а также предохраняет клетки от окислительного стресса. Кроме того, она стимулирует барьерную функцию кишечного эпителия, сохраняет стволовые клетки кишечника и поддерживает оптимальный состав кишечной микробиоты, что дополнительно способствует снижению возрастного воспаления. Таким образом, высокомолекулярная гиалуроновая кислота, произведенная трансгеном nmrHas2, продлила жизнь мышей и сохранила их здоровье в пожилом возрасте, подавляя возрастные воспалительные реакции. Это значит, что эволюционные адаптации долгоживущих животных, таких как голый землекоп, можно искусственно воспроизвести у других видов — возможно, и у человека — с пользой для их здоровья. Также полученные результаты указывают на потенциал клинического применения высокомолекулярной гиалуроновой кислоты для лечения возрастных воспалительных заболеваний кишечника и других органов, заключают авторы работы. В 2016 году исследователи из Великобритании, Германии и ЮАР выяснили, что низкая болевая чувствительность голых землекопов связана с мутацией гена одного из рецепторов воспринимающих боль нейронов. Годом позже американские, немецкие, британские и южноафриканские ученые показали, что эти животные могут долго обходиться без кислорода — в эксперименте они выжили 18 минут в атмосфере чистого азота, после чего восстановили аэробный метаболизм.