Защитная реакция стала основой хронизации инфекции
Хроническая инфекция мочевыводящих путей, вызванная уропатогенной кишечной палочкой, привела к эпигенетическим изменениям в клетках эпителия мочевыводящих путей (уротелия) и порочному кругу: чтобы лучше избавляться от бактерий, клетки активируют каспазный путь апоптоза, активность которого значительно повышается из-за предыдущих инфекций кишечной палочкой. Исследование опубликовано в журнале Nature Microbiology.
Инфекция мочевыводящих путей (ИМВП) чаще встречается у женщин и часто приобретает рецидивирующий или хронический характер. Причем известно, что единичная ИМВП значительно повышает риск рецидива. У мышей и у людей с хроническим воспалением слизистой оболочки мочевого пузыря — циститом — происходит ремоделирование эпителиальной ткани, которое способствует рецидивирующему течению инфекции. Однако клеточная и генетическая основа ремоделирования и хронизации инфекции изучена недостаточно хорошо.
Известно, что не леченные антибиотиками ИМВП могут приобрести хронический характер, хотя иногда они могут проходить и самостоятельно без дальнейших осложнений. У мышей, которые излечивались от инфекции самостоятельно, в дальнейшем не возникало рецидивов: это объясняют ускоренным воспалительным ответом, опосредованным фактором некроза опухоли альфа и циклооксигеназой-2. У мышей с рецидивами эти же медиаторы воспаления вызывают активную миграцию нейтрофилов в уротелий, которые повреждают его и приводят к повторным инфекциям.
То есть, в зависимости от анамнеза инфекции уротелий может перестраиваться так, что риск рецидива инфекции будет расти. Томас Ханнан (Thomas J. Hannan) и Скотт Хультгрен (Scott J. Hultgren) из Вашингтонского университета исследовали эпигенетическую основу такого ремоделирования. Для этого ученые выделили эпителиальные клетки мочевыводящих путей мышей с разными историями ИМВП и размножили их в искусственной среде до трехмерных моделей уротелия в 4-6 слоев клеток с базальным, промежуточным и поверхностным слоями. После этого они исследовали эпигенетические профили полученных клеток.
Ученые сравнивали модели клеток от выздоравливающих мышей (через четыре недели после начала приема антибиотиков), мышей, которые выздоровели самостоятельно без применения лекарств, и мышей, у которых развилась хроническая инфекция. В качестве контроля использовалась модель уротелия из клеток здоровых мышей.
У мышей с хронической инфекцией ученые обнаружили уменьшение размеров клеток поверхностного слоя и сниженную экспрессию специфических маркеров поверхностный клеток уротелия Upk3a и K20 по сравнению с другими моделями. Такие же изменения находят и в нативном уротелии мышей с хронической ИМВП.
Поскольку предрасположенность к рецидивирующей ИМВП в эксперименте передавалась во многих поколениях клеточных культур, ученые предположили, что изменения в уротелии опосредованы дифференциальной эпигенетической модификацией, которая связана непосредственно с предыдущей инфекцией и с общегеномными различиями в доступности хроматина. Ученые идентифицировали в общей сложности 59 801 доступный участок хроматина в клетках линии уротелия от наивных мышей, 63 195 — от самостоятельно выздоровевших мышей и 82 030 — от мышей с хронической ИМВП.
Метод главных компонент показал, что среди 2880 доступных областей хроматина общих для клеток от выздоровевших и хронически больных мышей, 925 областей были более доступными у больных мышей, а 1955 — у выздоровевших. В 925 областях доступного хроматина в клетках больных мышей активно экспрессировались гены, ответственные за апоптоз, окислительный стресс и иммунные реакции. Интенсивно экспрессировался ген каспазы-1 — протеолитического фермента, ответственного как за программируемую гибель клетки, так и за иммунные реакции. Также ученые обнаружили факторы транскрипции группы AP-1, которые ответственны за клеточную пролиферацию и ответ на клеточный стресс.
Поскольку доступность хроматина регулируется метилированием ДНК и модификацией гистонов, ученые изучили, как меняются эти процессы в клетках от хронически больных мышей. В клетках хронически больных мышей ДНК была гипометилированной, что приводило к активации промоторов и энхансеров. Подробный анализ показал гипометелирование в областях, которые отвечают за иммунный ответ и межклеточную адгезию.
При конкретной оценке экспрессии различных генов в исследуемых клеточных линиях ученые выяснили, что экспрессия гена Ptgs2, продуктом которого является циклооксигеназа-2, у хронически больных мышей и у выздоравливающих мышей намного активнее, чем у полностью здоровых мышей. При этом известно, что при хронической инфекции воспаление, опосредованное циклооксигеназой-2, приводит к повреждению уротелия и его отслоению от базальной мембраны.
Дополнительное исследование генов программируемой клеточной гибели показало, что в клеточных моделях с хронической инфекцией активнее экспрессируется ген каспазы-1 по сравнению с моделями клеток от выздоровевших мышей, где менее активно экспрессировались гены ферментов других путей клеточной гибели. Каспаза-1-зависимая клеточная гибель считается защитной реакцией на порообразующий бактериальный токсин альфа-гемолизин: инфицированные клетки погибают, отшелушиваются и выводятся с мочой.
Свежая инфекция уропатогенной кишечной палочкой во всех клеточных моделях вызывала клеточную гибель, однако больше клеток погибло в модели клеток от хронической инфекции. При этом только в этой модели наиболее активно работал каспаза-1-зависимый путь клеточной гибели. Ученые пришли к выводу, что сверхэкспрессия каспазы-1 в сенсибилизированном уротелии можно считать защитной реакцией на инфекцию. Однако создается порочный круг: предыдущая инфекция повышает активность этой защитной реакции до гиперреакции, из-за чего значимая часть клеток погибает. Массовая гибель клеток снижает защитный потенциал уротелия, и инфекция снова вызывает воспаление.
Новые знания о клеточных и биохимических механизмах патогенеза хронизации ИМВП позволят по-новому взглянуть на методы терапии и профилактики хронических инфекций мочевыводящих путей.
Чтобы снизить риск хронизации ИМВП, необходимо вовремя обнаружить возбудителя и правильно подобрать к нему антибиотик. С этой задачей поможет справиться спиннер, который превратили в экспресс-тест для диагностики ИМВП.