Naukowcy z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu zmodyfikowali probiotyczną bakterię w taki sposób, by skuteczniej chroniła przed zakażeniem Salmonellą. Wyniki badań pokazują, że pojedyncza zmiana w białku odpowiedzialnym za przyleganie bakterii do jelita zwiększyła jej zdolność do konkurowania z patogenem i wpłynęła na odpowiedź układu odpornościowego.
Badacze chcieli sprawdzić, czy modyfikując mechanizm odpowiedzialny za przyleganie bakterii do komórek gospodarza, można zwiększyć ochronne właściwości probiotyku. Pomysł ulepszenia bakterii probiotycznych tak, by skuteczniej chroniły gospodarza przed patogenem, pojawił się już kilka lat temu.
Od dawna zajmuję się adhezją, czyli przyleganiem bakterii do komórek, przede wszystkim w przypadku patogenów, zwłaszcza Salmonelli. W pewnym momencie uznałem jednak, że sam układ gospodarz–patogen jest zbyt prosty, bo w rzeczywistości bakterie funkcjonują przecież wśród całego mikrobiomu. Postanowiłem więc włączyć ten trzeci element do badań. A ponieważ częścią mikrobiomu są także bakterie probiotyczne, wpadłem na pomysł, by spróbować je ulepszyć – wyjaśnia dr hab. Krzysztof Grzymajło z Katedry Biochemii i Biologii Molekularnej Wydziału Medycyny Weterynaryjnej Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu.
Do eksperymentów wybrano Escherichia coli Nissle 1917 (EcN) – szczep bakterii naturalnie zasiedlający jelita i wykorzystywany jako probiotyk. Choć niektóre szczepy E. coli odpowiadają za zakażenia jelitowe i inne infekcje, Nissle 1917 należy do bakterii o właściwościach probiotycznych.
Wybraliśmy E. coli między innymi dlatego, że jest organizmem modelowym, co oznacza, że od dziesięcioleci bardzo intensywnie się ją bada. Dzięki temu dobrze znamy jej genetykę i dysponujemy wieloma sprawdzonymi metodami modyfikacji, które także stosujemy w naszym laboratorium – wskazuje naukowiec.
Jedna zmiana, silniejsza adhezja
Skupiono się na białku FimH, znajdującym się na końcach cienkich, włoskowatych struktur na powierzchni bakterii, nazywanych fimbriami typu 1. FimH odpowiada za rozpoznawanie i przyłączanie się bakterii do komórek gospodarza.
Z naszych wcześniejszych badań wiedzieliśmy, że pojedyncze mutacje punktowe w adhezynie FimH u Salmonelli mogą znacząco zwiększyć adhezję. Ciekawe wydało nam się więc sprawdzenie, czy podobny efekt uzyskamy nie u patogenu, lecz u bakterii probiotycznej – tłumaczy Ewa Carolak, doktorantka UPWr.
Naukowcy wprowadzili trzy różne mutacje w białku FimH. Wszystkie zwiększały zdolność bakterii do przylegania do komórek, jednak zdecydowanie najsilniejszy efekt uzyskano w przypadku mutacji oznaczonej jako G66R. W badaniach laboratoryjnych na hodowlach komórkowych zmodyfikowany szczep przyczepiał się do komórek nabłonka jelitowego około czterokrotnie skuteczniej niż jego niezmodyfikowana wersja. Co istotne, zwiększona adhezja przekładała się również na skuteczniejsze konkurowanie z Salmonellą.
Kiedy taki probiotyk lepiej przyczepia się do komórek jelita, zajmuje więcej nisz i pozbawia Salmonellę miejsca oraz zasobów, dzięki którym może się tam rozprzestrzeniać – tłumaczy dr hab. Krzysztof Grzymajło.
Po obiecujących wynikach uzyskanych w badaniach laboratoryjnych naukowcy przeprowadzono eksperymenty na myszach. Zwierzętom najpierw podawano zwykły albo zmodyfikowany szczep probiotyczny, a następnie zakażano je Salmonella Typhimurium. Efekt był wyraźny. Myszy, które wcześniej otrzymywały zmodyfikowany probiotyk, łagodniej przechodziły zakażenie. Traciły mniej masy ciała, a liczba bakterii w ich jelitach i narządach wewnętrznych była znacznie niższa.
Największe różnice zaobserwowano w śledzionie i wątrobie. U myszy otrzymujących zmodyfikowany probiotyk liczba bakterii w śledzionie była 7300 razy niższa, a w wątrobie 1700 razy niższa niż u zwierząt, które nie otrzymywały zmodyfikowanego szczepu. Nie obserwowano u nich również splenomegalii, czyli powiększenia śledziony charakterystycznego dla ciężkiego ogólnoustrojowego zakażenia Salmonellą.
Dalsze analizy przyniosły kolejny interesujący wynik. Okazało się, że zmodyfikowany szczep Nissle 1917 chronił przed zakażeniem nie tylko dzięki skuteczniejszej konkurencji z Salmonellą w jelicie. Wpływał również na odpowiedź immunologiczną gospodarza. U myszy otrzymujących zmodyfikowany probiotyk zwiększała się liczba limfocytów T, w tym limfocytów cytotoksycznych CD8+. Komórki te odgrywają ważną rolę w zwalczaniu patogenów, które mogą namnażać się wewnątrz komórek gospodarza. Salmonella może przetrwać i namnażać się w makrofagach – komórkach układu odpornościowego – a następnie wykorzystywać je do rozprzestrzeniania się do kolejnych tkanek. Limfocyty cytotoksyczne mogą natomiast niszczyć zakażone komórki, ograniczając dalszy rozwój infekcji.
Ochrona działa więc dwutorowo: lokalnie w jelicie, gdzie probiotyk konkuruje z patogenem, i systemowo poprzez pobudzenie układu odpornościowego. Nie udało się nam jeszcze w pełni wyjaśnić, dlaczego zmodyfikowany probiotyk silniej pobudza odpowiedź immunologiczną. Jedna z hipotez zakłada, że zmienione białko bakterii może aktywować dodatkowe receptory na komórkach gospodarza, uruchamiając szlaki prowadzące do zmian w funkcjonowaniu układu odpornościowego – mówi naukowiec z UPWr.
W stronę nowych probiotyków
Jak podkreślają badacze z Wrocławia, dotychczasowe modyfikacje bakterii probiotycznych skupiały się głównie na wprowadzaniu obcych genów, na przykład kodujących adhezyny czy pili z innych gatunków, produkcji bakteriocyn czy modulacji odporności. Najnowsze wyniki pokazują natomiast, że znaczący efekt można uzyskać poprzez zmianę pojedynczego elementu już istniejącego białka. Szczególnie interesujące jest to, że zmiana zaledwie jednej „litery” w DNA może przełożyć się na wyraźną zmianę fenotypu bakterii – jej zdolności do przylegania, oddziaływania z gospodarzem i ochrony przed patogenem.
W szerszym ujęciu badania pozwalają nam lepiej zrozumieć zależności między gospodarzem, patogenem a mikrobiotą wspieraną przez probiotyki. Wobec rosnącej antybiotykooporności coraz pilniej potrzebujemy alternatywnych metod ochrony organizmu przed patogenami, a odpowiednio zaprojektowane probiotyki mogą być jedną z takich dróg – zauważa Ewa Carolak.
Kolejne prace zespołu będą koncentrowały się m.in. na wyjaśnieniu mechanizmu odpowiedzi immunologicznej wywoływanej przez zmodyfikowany szczep. Naukowcy chcą również sprawdzić, czy podobny efekt można uzyskać poprzez inne modyfikacje oraz w przypadku innych bakterii probiotycznych.
Wyniki badań wrocławskiego zespołu ukazały się w czasopiśmie „npj Biofilms and Microbiomes”.
MK, źródło: UPWr
Czy Autorzy przetestują swój nowy szczep na sobie? Teoretycznie bardzo ciekawe podejście. Setki tysięcy dzieci umiera co roku na biegunkę. Jeśli to będzie działało, trzymam kciuki!