Как споры сибирской язвы растут в культивируемых тканях человека

Исследование на культивируемых клетках легких человека, инфицированных безвредной версией спор сибирской язвы, позволило понять, как возбудитель растет и распространяется в организме. Работа, опубликованная в Journal of Applied Microbiology, предоставит данные для оценки рисков для здоровья человека и поможет лучше понять угрозы, связанные с потенциальной биоатакой.

Исследование впервые определило, где именно прорастают споры, и показало, что тип клеточных линий и методы культивирования влияют на скорость роста бактерий.

Полученные данные помогут в разработке Национальной оценки рисков биологических угроз — компьютерного инструмента Министерства внутренней безопасности США. Существует мало данных для оценки среднего количества спор, необходимого для заражения человека. Понимание порогов воздействия позволит прогнозировать последствия инцидентов с Bacillus anthracis.

Хотя существуют десятилетия данных по заражению сибирской язвой кроликов, их экстраполяция на человека изучена плохо. Сравнив культивированные нормальные клетки легких обоих видов, ученые обнаружили, что при низких дозах пролиферация спор в клетках человека ниже.

Исследователи показали, что споры сибирской язвы прорастают непосредственно в легких, прежде чем попасть в кровоток. Этот вопрос долго был предметом дискуссий. Понимание точного места и пути прорастания, а также того, что бактерии начинают производить токсины, повреждающие ткань прямо в легких, может влиять на методы лечения. Это также указывает на повышенную восприимчивость у людей с уже существующими проблемами легких (курильщики, астматики).

Создание реалистичных условий

Большинство знаний о сибирской язве получено при изучении раковых клеток легких, которые легко выращивать в лаборатории. Однако раковые клетки сильно отличаются от нормальных (первичных).

Ученые культивировали первичные клетки легких кролика на специальных вставках в чашках Петри, создавая небольшие трехмерные кусочки легочной ткани. Клетки питались снизу, а верхний слой находился на границе раздела воздух/жидкость, как в живом легком.

Наблюдения показали, что верхний слой клеток производит липкую слизь, которая захватывает споры сибирской язвы. В полностью погруженных в питательную среду клетках этого не происходило. Это говорит о том, что слизь способствует прорастанию спор в бактерии.

«Побочные продукты, секретируемые в слизь клетками легких в ответ на сибирскую язву, вызывают очень быстрое размножение спор», — отметил микробиолог Джош Пауэлл. «Мы пока не знаем, что это за продукты, но впервые показано, что скорость роста зависит от них».

Дополнительные биохимические тесты выявили, что питательные вещества в стандартной культуральной среде обеспечивают неестественное «топливо», ускоряющее прорастание спор по сравнению с тем, что происходит в естественных условиях легких.

«Эти выводы важны для того, как мы изучаем патогены в системах in vitro», — сказал Пауэлл. «Понимание влияния методологии гарантирует, что мы получим наилучшие данные о конкретных скоростях поглощения спор, их клиренса, прорастания и пролиферации в лабораторных условиях».

В будущем исследователи надеются воспроизвести эксперимент с более вирулентным штаммом, а не с практически безвредным штаммом Стерна, использованным в данной работе.

Прогнозирование для защиты

На следующем этапе проекта экспериментальные данные будут заложены в компьютерную модель для более точного прогнозирования последствий воздействия сибирской язвы. Например, модель на основе данных первичных клеток может рассчитать:

• Сколько времени у врачей есть для начала лечения.
• Сколько спор необходимо, чтобы вызвать заболевание или смерть у человека.
• Существует ли «безопасный» уровень воздействия или необходимый уровень очистки зараженной территории.

После уточнения моделей новыми данными их предсказания будут проверены на животных. Модели также могут потенциально ускорить разработку будущих лекарств.

Ученые надеются, что эти фундаментальные выводы и модели можно будет применить к другим заболеваниям, связанным с вдыхаемыми патогенами, таким как грипп или коронавирус SARS. «Это инвестиции, которые в конечном итоге могут помочь властям проводить сортировку, лечение и влиять на открытие лекарств от этих легочных заболеваний», — заключил Пауэлл.