Костный аппетит: как бактерии поедают кость для поддержания инвазивной инфекции

Исследователи из Медицинского центра Университета Вандербильта определили метаболический путь, который использует Staphylococcus aureus для выживания в костях. Инвазивные инфекции S. aureus часто возникают в костной ткани и печально известны своей устойчивостью к противомикробной терапии. Исследование представлено на ASM Microbe, ежегодном собрании Американского общества микробиологии, проходившем с 7 по 11 июня в Атланте, Джорджия.

«Мы обнаружили, что S. aureus должен самостоятельно синтезировать определенные аминокислоты, а не полагаться на питательные вещества хозяина», — сказал ведущий автор исследования Джим Кассат, доктор медицинских наук, доктор философии, заместитель директора Института инфекций, иммунологии и воспаления Вандербильта. Исследователи сосредоточились на том, как S. aureus получает из организма хозяина основные строительные блоки для клеток. Всем формам жизни требуется до 13 незаменимых метаболитов, которые используются для обеспечения клеточной пролиферации и образования макромолекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты и липиды.

«Поскольку эти конкретные пути биосинтеза аминокислот встречаются только у микробов и растений, они могут быть особенно привлекательными мишенями для разработки новых противомикробных соединений», — отметил доктор Кассат. В целом эта работа проливает свет на то, как бактериальные патогены получают важнейшие питательные вещества от хозяина во время инвазивной инфекции.

Staphylococcus aureus — один из важнейших бактериальных патогенов человека, отчасти благодаря способности инфицировать почти любой орган и вызывать значительное разрушение тканей. Это разрушение тканей делает инвазивные стафилококковые инфекции особенно трудными для лечения, поскольку проникновение антибиотиков в очаг инфекции ограничено.

Одним из наиболее часто поражаемых мест при инвазивной инфекции S. aureus является кость, что парадоксально, если учитывать свойства костной ткани. В частности, в кости низкая концентрация кислорода, и она постоянно разрушается и восстанавливается остеобластами (костеобразующими клетками) и остеокластами (костеразрушающими клетками). Костная инфекция (остеомиелит) печально известна своей устойчивостью к противомикробной терапии и вызывает значительную заболеваемость.

«По этой причине многим пациентам с костной инфекцией требуются операции по удалению инфицированной или поврежденной кости», — сказал доктор Кассат. — «Наша лаборатория изучает остеомиелит с целью определить, как бактериальные патогены выживают в такой динамичной среде, как костные клетки распознают и реагируют на бактериальные патогены, и как иммунные реакции взаимодействуют с костным обменом».

Чтобы проверить, как S. aureus получает эти критические питательные вещества во время остеомиелита, исследователи использовали большую панель бактериальных мутантов с дефектами различных метаболических путей. Они протестировали этих мутантов на модели остеомиелита у мышей, чтобы определить, какие пути способствуют выживанию в кости. В дополнение к этим исследованиям команда разработала ex vivo анализ, в котором стафилококк вынужден использовать кость в качестве единственного источника питательных веществ. Эти подходы выявили конкретные метаболические пути, абсолютно необходимые для выживания бактерий в кости.

В предыдущих исследованиях доктор Кассат и его коллеги использовали специальный метод, называемый «транспозонным секвенированием» или «TnSeq», для идентификации генов S. aureus, которые способствуют развитию остеомиелита. Однако эти эксперименты включают большое количество бактериальных мутантов, которые могут конкурировать друг с другом или даже обмениваться питательными веществами во время инфекции. Поэтому понять, какие именно метаболические пути важны для костной инфекции, используя только TnSeq, может быть сложно.