Первая пространственная карта малярийной инфекции в печени открывает новые возможности для более эффективных методов лечения
Чтобы достичь крови человека-хозяина, малярийному паразиту необходимо сначала проникнуть в печень. Только небольшое количество паразитов дифференцируется и реплицируется там в течение семи и более дней, что создает узкое место в жизненном цикле паразита. Это делает печеночную стадию оптимальной мишенью для эффективных и долговременных вакцин.
Используя технологии пространственной транскриптомики и секвенирования РНК единичных клеток, исследователи из Стокгольмского университета впервые создали пространственно-временную карту малярийной инфекции в печени мыши. Исследование опубликовано в Nature Communications.
«Возможность определить точное местоположение дифференциально экспрессируемых генов в срезах ткани печени в ответ на инфекцию паразита обладает большим потенциалом для продвижения исследований малярии», — говорит доцент Йохан Анкарклев, руководитель исследования.
Исследование проводилось на базе Департамента молекулярных бионаук (MBW) в сотрудничестве с группами профессора Йоакима Лундеберга (KTH), доцента Эммы Р. Андерссон (Каролинский институт), доцента Джоэля Вега-Родригеса (NIH, США) и профессора Шарлотты Скотт (VIB, Бельгия).
Комбинация технологии пространственной транскриптомики (изначально разработанной в группе профессора Лундеберга) и секвенирования РНК единичных клеток позволила впервые картировать глобальную экспрессию генов как хозяина, так и паразита в инфицированных тканях печени мыши Plasmodium berghei.
Метод пространственной транскриптомики позволяет создать изображение всего среза ткани и с помощью массива из тысяч пятен, содержащих миллионы меченых зондов, захватить глобальную экспрессию генов в микрометровых областях по всему срезу, связав профиль экспрессии с конкретными локациями на изображении. Объединение этих данных с высокоразрешающими данными единичных клеток позволяет определить конкретные типы клеток в тканевых пятнах.
Малярия: факты
Малярия остается одним из самых смертоносных заболеваний в мире: около 230 миллионов инфекций и более 600 000 смертей ежегодно, преимущественно среди детей младшего возраста. Симптомы возникают только после того, как паразит Plasmodium spp. реплицируется в крови. Однако до достижения симптомной стадии в крови паразиты проходят обязательную и клинически бессимптомную стадию развития в печени.
Каждый паразит, попавший в печень, дает начало десяткам тысяч паразитов, которые в конечном итоге попадают в кровоток, где специфически инфицируют эритроциты и размножаются до миллиардов.
Печеночная стадия малярии — перспективная мишень
Обязательная печеночная стадия представляет собой основное узкое место в жизненном цикле паразита, так как лишь немногие паразиты достигают органа и успешно развиваются. Поэтому эта стадия считается оптимальной мишенью для создания эффективных и долговременных вакцин против малярии. Эта цель до сих пор не достигнута, несмотря на недавний выпуск двух кандидатов в вакцины, которые, к сожалению, показали низкую эффективность и отсутствие длительной защиты.
«По сравнению с симптомной стадией в крови, печеночная стадия жизненного цикла малярии изучена крайне слабо, а разработке эффективной вакцины препятствует текущий недостаток знаний. Создание пространственной карты инфекции Plasmodium в печени в реальном тканевом контексте — это большой шаг вперед в устранении этого пробела», — говорит Анкарклев.
Новые важные знания для сообщества инфекционной биологии
Исследователи обнаружили, что паразит вызывает изменения в экспрессии генов клеток хозяина в его близости, зависящие от времени. На ранней стадии печеночной инфекции вблизи позиций паразита обнаруживаются провоспалительные генетические программы.
Напротив, на поздних стадиях инфекции в «окрестностях» паразита обнаруживается подавление генетических программ, связанных с иммунными ответами. Вместо этого в клетках хозяина вблизи паразитов на позднем временном этапе наблюдается повышенная регуляция генетических программ, связанных с метаболизмом жирных кислот.
Жирные кислоты необходимы для массивной репликации паразита в конце печеночной стадии и, как сообщается, участвуют в противовоспалительных ответах. Поэтому исследователи предполагают, что паразит «убивает двух зайцев», вероятно, уклоняясь от иммунных ответов хозяина и снабжая себя необходимыми питательными веществами, захватывая регуляцию транскрипции генов метаболизма жирных кислот в клетках хозяина.
Кроме того, было обнаружено, что общие иммунные ответы в тканях печени у неинфицированных контрольных мышей, которым вводили лизат слюнных желез комаров (где находятся паразиты перед инъекцией в кожу хозяина), также повышены, но с значительной задержкой более 12 часов, что имеет важное значение для дизайна будущих подобных исследований.
Исследовательская группа также обнаружила новые пространственные компоненты в контексте инфекции, характеризующиеся высокой плотностью клеток и экспрессией провоспалительных и иммуноактивирующих генетических сигнатур. Они назвали эти структуры «воспалительными горячими точками», которые похожи на структуры, ранее наблюдавшиеся при вирусных инфекциях в тканях, включая печень.
«Предыдущие исследования установили, что некоторые паразиты успешно развиваются в печени и достигают крови, в то время как другие успешно уничтожаются иммунной системой хозяина. Поэтому мы предполагаем, что эти структуры могут представлять собой места успешной элиминации паразитов», — говорит Франциска Хильдебрандт, ведущий автор исследования.