Исследование бактериальных инфекций на уровне отдельных клеток

Исследователи из Вюрцбурга использовали технологию анализа отдельных инфицированных человеческих клеток, чтобы получить новое представление о процессе заражения сальмонеллой. Исследование опубликовано в Nature Microbiology.

Инфекционные заболевания — одна из ведущих причин смертности в мире. Для разработки новых методов лечения или вакцин необходимо лучше понимать, как вирусы, патогенные грибки или бактерии вызывают заболевания.

Некоторые бактериальные патогены, такие как сальмонелла, проникают и размножаются внутри человеческих клеток. Научный фокус смещается на изучение инфицированных клеток и того, как различия между отдельными клетками-хозяевами влияют на клеточный ответ на патогены.

Исследовательская группа под руководством профессора Йорга Фогеля из Университета Вюрцбурга достигла значительного прогресса в этой области. Они разработали новую методику, позволяющую изучать взаимодействие отдельных клеток-хозяев с инфицирующими бактериями. Исследование основано на сотрудничестве команды Йорга Фогеля из Института молекулярной биологии инфекций, базового подразделения Systems Medicine медицинского факультета и исследователей из Имперского колледжа Лондона.

Две стратегии сальмонеллы

Команда использовала метод "single-cell RNA-seq" для изучения заражения макрофагов сальмонеллой. Макрофаги — это иммунные клетки, относящиеся к группе лейкоцитов. Сальмонелла — патогенные бактерии, которые могут попасть в организм с зараженной водой или пищей и вызвать гастроэнтерит и диарею. У пациентов с ослабленным иммунитетом сальмонелла может распространиться по всему телу и вызвать опасные для жизни заболевания.

При вторжении в макрофаги сальмонелла использует две стратегии: бактерии либо размножаются в большом количестве внутри клетки-хозяина, либо переходят в нерастущее состояние, позволяющее им сохраняться в организме хозяина годами. "Это разное поведение в отношении роста влияет на течение болезни и играет важную роль в успехе антибиотикотерапии", — говорит ведущий исследователь Йорг Фогель.

Анализ отдельных макрофагов, инфицированных сальмонеллой

До сих пор мало что известно о том, реагируют ли макрофаги и как именно на эти разные стратегии внутриклеточной сальмонеллы. Чтобы ответить на этот вопрос, ученые из Вюрцбурга культивировали макрофаги в лаборатории и заразили их сальмонеллой.

РНК из инфицированных клеток была выделена и проанализирована с помощью глубокого секвенирования, что позволило обнаружить более 5000 различных транскриптов на один макрофаг. Эти данные об экспрессии генов хозяина были объединены с информацией о характере роста внутриклеточных патогенов.

Результаты:

• Макрофаги, содержащие нерастущие бактерии, приобретают характерную сигнатуру, связанную с воспалением. Они экспрессируют сигнальные молекулы для привлечения других иммунных клеток к месту инфекции. В этом отношении они реагируют аналогично макрофагам, которые столкнулись с сальмонеллой, но не были инфицированы. "Эти макрофаги не могут обнаружить своих внутриклеточных бактерий — они находятся ниже их радара", — объясняет Эммануэль Салиба, первый автор исследования.
• В отличие от них, макрофаги с быстрорастущими бактериями развивают противовоспалительный ответ.

Эти интересные результаты открывают множество вопросов: Сальмонелла ли вызывает такой разный ответ? Манипулирует ли она макрофагами, чтобы они не поднимали тревогу, и бактерии могли избежать иммунного ответа? Бывают ли ситуации, когда сальмонелла не может выполнить этот трюк? Приведет ли это к иммунному ответу, который заставит бактерии переключиться в состояние покоя?

Значение для многих биомедицинских областей

"В настоящее время мы рассмотрели только одну временную точку после заражения и поэтому не можем различить причину и следствие", — объясняет Александр Вестерманн, другой член команды. Требуются последующие исследования. Тем не менее, текущие результаты уже дают новую перспективу на ответ хозяина на патогенные микробы. Используя новую технологию, бактериальные инфекции можно изучать с беспрецедентным разрешением — на уровне отдельных клеток.

Метод, созданный в базовом подразделении Systems Medicine в Вюрцбурге, должен представлять большой интерес для многих других биомедицинских проектов. "Среди прочего, гетерогенность среди опухолевых клеток или влияние лекарств на отдельные клетки можно анализировать с неизвестной ранее точностью", — говорит профессор Фогель.