Как течение жидкости влияет на бактериальную коммуникацию при инфекциях и засорах
Способность бактерий организовывать инфекции или блокировать протоки (кишечник, медицинские стенты, канализационные трубы) зависит от их общения друг с другом.
Новое исследование Принстонского университета показывает, что эффективность этой коммуникации определяется физическими характеристиками и течением жидкости в среде, которую бактерии колонизируют. Результаты помогают понять, где и когда в системе можно нарушить бактериальное общение, чтобы предотвратить инфекции и засоры.
В лаборатории смоделировали реальные условия и обнаружили, что форма пространства и течение жидкости через него влияют на рост бактерий и формирование слизистых поверхностных слоёв — биоплёнок. Исследование, опубликованное в Nature Microbiology, также показало, что течение жидкости может определять, где и когда бактерии начинают действовать как болезнетворные агенты.
Бактерии общаются через химический процесс чувства кворума: они выделяют молекулы-сигналы, которые обнаруживают соседние клетки. Однако большинство исследований этого процесса проводилось в контролируемых лабораторных условиях, отметила соавтор Бонни Басслер. Для изучения чувства кворума в условиях, более точно имитирующих реальные, молекулярные биологи объединились с инженерами и химиками.
«Мы поняли, что если хотим научиться манипулировать чувством кворума по требованию для лечения болезней, нужно знать, как оно работает в реалистичных условиях», — сказала Басслер.
В реальных условиях течение жидкости может мешать доставке химических сигналов, отметил соавтор Говард Стоун. «Если поток достаточно сильный, он может смыть химическое вещество до того, как соседняя клетка узнает о его присутствии».
Первый автор Майнгён Кевин Ким создал экспериментальные устройства, имитирующие типичные среды с течением жидкостей (сточные воды, телесные жидкости):
- внутренние поверхности труб,
- углубления (крипты) в слизистой кишечника,
- поверхности, покрытые биоплёнками.
Изучали два патогена: Vibrio cholerae (возбудитель холеры) и Staphylococcus aureus (вызывает абсцессы, внутрибольничные инфекции). Уровень и локализация чувства кворума зависели от трёхмерной формы пространства и условий течения.
Ключевые выводы:
Течение подавляет, но и распространяет сигналы. Движущаяся жидкость может уносить молекулы-сигналы, подавляя локальное чувство кворума (это объясняет, почему в трубах под потоком образуются плотные биоплёнки). Однако унесённые сигналы могут достичь бактерий ниже по течению, устанавливая длиннодистанционную коммуникацию между клетками (возможно в трубах, почве, кишечнике).
Биоплёнки защищают сигналы. Молекулы чувства кворума у основания биоплёнки защищены от потока. Клетки, получившие эти сигналы, могут запустить программу экспрессии генов, позволяющую бактериям покинуть биоплёнку, переместиться с током жидкости и распространить инфекцию.
Крипты создают убежище для коммуникации. В углублениях (криптах) кишечника сигналы у дна, защищённого от потока, передаются между бактериями, а у вершины — смываются. Это согласуется с патогенезом S. aureus:
«Внутри крипт бактерии осуществляют чувство кворума и активируют выработку токсина энтеротоксина B, который увеличивает глубину крипты, — сказал Ким. — Это ещё больше изолирует S. aureus от потока, что, вероятно, позволяет контролировать патогенность через чувство кворума именно внутри крипт».
Подавление коммуникации как стратегия борьбы. В поток ввели молекулу-антагонист, синтезированную соавтором Айшань Чжао, чтобы отключить чувство кворума у метициллин-резистентного S. aureus (MRSA). Молекула проникла в крипты и инактивировала коммуникацию, что указывает на её потенциал для снижения вирулентности MRSA.
Итог: Одинаковые бактериальные штаммы в условиях течения жидкости и в пространствах сложной формы могут испытывать сильно различающийся уровень чувства кворума, что приводит к сложным паттернам патогенеза и колонизации. «Это был один из неожиданных выводов исследования», — отметил Ким.