Как токсин A C. difficile проникает в клетки кишечника

Инфекция Clostridiodes difficile стала ведущей причиной тяжелой, иногда смертельной диарейной болезни. Она особенно распространена в больницах и учреждениях длительного ухода, где пациенты получают длительную антибиотикотерапию, но также становится все большей проблемой в сообществе. Значительная часть повреждений от C. diff вызвана токсинами, которые производит бактерия и которые повреждают слизистую оболочку кишечника.

Новое исследование, опубликованное в Nature Microbiology, раскрывает, как два основных токсина C. diff, A и B, проникают в клетки кишечника — первый шаг к возможному лечению, не связанному с антибиотиками.

«Болезнь возникает исключительно из-за токсинов», — говорит Мин Донг, доктор философии, исследующий бактериальные токсины в Бостонской детской больнице. «Штаммы C. difficile без токсинов могут колонизировать кишечник, но не вызывают проблем».

Скрининг генетических уязвимостей

В 2016 году Донг и его коллеги раскрыли точку входа для токсина B. Используя технологию редактирования генов CRISPR/Cas9, они просканировали все гены в человеческих клетках на предмет их потенциальной роли в связывании и проникновении токсина. Когда они мутировали ген рецептора Frizzled, токсин не мог попасть в клетки, а кишечные ткани стали менее чувствительны к нему.

Используя тот же подход, команда теперь идентифицировала точку входа для токсина A. Более того, они обнаружили, что активность этого токсина можно заблокировать молекулами, которые уже разрабатываются для различных медицинских показаний.

Скрининг CRISPR/Cas9 для токсина A провели Лян Тао, Сонгхай Тянь и Цзе Чжан в лаборатории Донга. Они обнаружили, что для связывания токсина A с клетками необходимы многие гены, участвующие в синтезе определенных молекул сахара. Эти сахара, известные как сульфатированные гликаны, в изобилии присутствуют на поверхности клеток. Вирусы, природные факторы роста и сигнальные молекулы часто используют их для проникновения в клетки или коммуникации с ними.

«Когда мы увидели потенциальную роль сульфатированных гликанов, мы обратились за помощью к нашим коллегам-вирусологам, докторам Чжомин Лю и Линдси Робинсон-Маккарти из лаборатории доктора Шона Уилана в Гарвардской медицинской школе», — говорит Донг, старший исследователь. «Они знакомы с этими гликанами как с факторами прикрепления для различных вирусов».

Удобный путь проникновения

Исследователи установили, что токсин A использует широкий спектр сульфатированных гликанов для связывания с поверхностью клеток. Но это была не вся история.

«Просто связывания с клетками недостаточно, — говорит Донг. — Токсин должен найти способ эффективно проникать в клетки».

И он его нашел. Главной находкой скрининга стал ген, кодирующий рецептор липопротеинов низкой плотности (LDLR). Этот рецептор постоянно перемещается между поверхностью клетки и ее внутренней частью, доставляя липопротеины в клетки.

«Токсин A захватывает LDLR, чтобы эффективно проникать в клетки, — объясняет Донг. — Комбинируя начальное распознавание гликанов с рекрутированием LDLR, токсин максимизирует свои шансы попасть на поверхность клеток и может быстро проникать внутрь».

С биологической точки зрения, кишечные клетки расстилают удобную «дорожку» для токсина. Но, по мнению Донга, эту биологию можно относительно легко преодолеть, просто предотвратив связывание токсина с сахаром.

Отвлечение приманкой

Коммерческие интересы уже стремятся разработать сульфатированные соединения, которые предотвращают связывание различных молекул с рецептором сульфатированных гликанов. Эти соединения действуют как приманки, связывая молекулы, которые в противном случае присоединились бы к клеткам на поверхности кишечника.

«Токсин предпочитает сахара на поверхности клетки, — говорит Донг. — Искусственные сахара могли бы его блокировать».

Одна из таких приманок в разработке — молекула, похожая на сахар, под названием GM-1111, структурно схожая с антикоагулянтом гепарином. Она изначально была разработана для подавления иммунного ответа при воспалительных состояниях без антикоагулянтного эффекта гепарина, который может вызывать кровотечения. Ее производитель, GlycoMira, предоставил GM-1111 лаборатории Донга, которая перепрофилирует его для борьбы с токсином A.

В модели на мышах GM-1111 уменьшил вызванное токсином накопление жидкости и повреждение тканей в толстой кишке, что является обнадеживающим признаком.

Следующий научный вопрос, который предстоит решить лаборатории, — как токсины A и B работают вместе, способствуя развитию болезни C. diff. «Большинство инфекций включают оба токсина, — говорит Донг. — Теперь, когда у нас есть способы блокировать оба токсина, мы можем попробовать комбинированный подход».