Бактериальные инфекции в пазухах пациентов с муковисцидозом демонстрируют неожиданное сходство
Исследование, объединившее микробиологов, клиницистов и экспертов по эволюции бактерий, показало, что со временем высокоадаптированные бактериальные сообщества в пазухах людей с муковисцидозом (МВ) становятся более фрагментированными и накапливают мутации, разрушающие их геномы. Это открытие, бросающее вызов догмам, заставляет ученых переосмыслить эволюцию микробов при хронических инфекциях.
В статье, опубликованной в Cell Reports, исследователи из Медицинской школы Питтсбургского университета сообщают, что размер и структура популяций патогенной бактерии Pseudomonas aeruginosa сильно различаются в пазухах. Они обнаружили, что эта так называемая биогеография в месте инфекции фундаментально влияет на то, как бактерии эволюционируют при хронических инфекциях.
"Существовало давнее представление в области МВ, что каждая инфекция у пациента уникальна, а Pseudomonas эволюционирует непредсказуемо", — сказала Дженнифер Бомбергер. — "Используя инструменты эволюционной биологии, мы показали, что сложную и громоздкую область можно упростить — эти микробы следуют общим тенденциям, укорененным в эволюционной биологии".
Муковисцидоз — неизлечимое генетическое заболевание, поражающее десятки тысяч людей во всем мире и проявляющееся накоплением густой, липкой слизи в легких. Из-за ослабленного иммунитета пациенты с МВ также страдают от частых бактериальных и грибковых инфекций, которые сначала проникают в пазухи, а затем распространяются в нижние дыхательные пути.
Однако, даже несмотря на связь бактериальных инфекций с худшими исходами болезни, врачи мало знают о том, как эти инфекции изначально устанавливаются.
"Пазухи — это как Дикий Запад", — говорит ведущий автор Кэтрин Армбрустер. — "Поразительно, как мало мы знаем об эволюции Pseudomonas в верхних дыхательных путях. Нет четких рекомендаций по лечению хронических синусовых инфекций при МВ".
Вдохновившись исследованиями древних взаимоотношений бактерий и их насекомых-хозяев, ученые использовали передовые геномные исследования и современные методы визуализации для анализа популяций P. aeruginosa, взятых из пазух людей с МВ.
Их анализ показал, что эволюция P. aeruginosa проходит два этапа:
- Патоадаптивный этап: микробы образуют большое сообщество, где большинство сохраняющихся мутаций дают адаптивное преимущество.
- Этап хронической инфекции: со временем бактериальные популяции могут накапливать не очень полезные мутации, становятся фрагментированными, и их геномы начинают разрушаться. Эволюция на этой стадии напоминает то, что происходит у бактерий, живущих симбиотически внутри насекомых, где генетический дрейф играет большую роль в этих меньших популяциях.
Это понимание может быть ключевым для переосмысления терапевтических подходов к лечению хронических бактериальных инфекций: вместо того чтобы нацеливаться на ложные следы (мутации), исследователи предлагают обращать внимание на мутации, вызванные самым сильным эволюционным давлением, и на закономерности геномной адаптации против эрозии.
"Геномы могут рассказать нам более ясную историю о линии бактерий, о взлетах и падениях, через которые прошла популяция", — сказал соавтор Вон Купер. — "Возможно, пациенты с муковисцидозом не так уж и различаются в том, как прогрессируют их инфекции".
"Есть идея, что ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции", — добавляет Армбрустер. — "Но мы также можем перевернуть это высказывание: ничто в эволюции не имеет смысла, кроме как в свете размера и структуры популяции".