Математическая модель объясняет, почему некоторые бактерии вызывают болезнь даже в малых дозах

Для развития гастроэнтерита достаточно всего нескольких бактерий Shigella, в то время как для заболевания холерой необходимо проглотить тысячи или миллионы бактерий Vibrio cholerae. Почему доза, вызывающая болезнь, так сильно различается у бактерий?

На основе наблюдательных данных биологи ранее предполагали, что эта разница может быть связана с тем, как бактерии атакуют своих хозяев. Например, шигеллы действуют локально, напрямую впрыскивая белки в клетки хозяина, а холерные вибрионы атакуют на расстоянии, выделяя холерный токсин.

Исследователи построили математическую модель бактериальных инфекций. Их результаты подтверждают гипотезу о том, что масштаб патогенетических механизмов является причиной разных инфицирующих доз. Модель также предсказывает, что этот механизм влияет на скорость распространения инфекции в организме хозяина.

Ключевые выводы модели

• Модель позволяет изолированно изучить влияние механизма патогенеза, меняя только расстояние действия бактериального токсина.
• Бактерии с локально действующим токсином (например, Shigella) требуют для начала инфекции малого количества бактерий. Токсин не рассеивается, поэтому даже несколько бактерий защищены от иммунной атаки.
• Бактерии с токсином дальнего действия (например, Vibrio cholerae) требуют большого количества бактерий. Токсин, выделяемый одной бактерией, рассеивается, оставляя её беззащитной. Только при наличии достаточного количества соседей, выделяющих токсин, все они получают защиту.
• Порог инфицирующей дозы существует и напрямую связан с масштабом патогенного механизма.

Скорость распространения инфекции

• Инфекция, вызванная бактериями с токсином дальнего действия, после преодоления порога распространяется быстро.
• Инфекция, вызванная бактериями с локально действующим токсином, начинается при более низком пороге, но распространяется медленнее даже при высоких дозах.

Это различие в динамике может объяснять, почему в ходе эволюции возникли такие разные механизмы патогенеза. Исследование опубликовано в журнале PNAS.