Канадские исследователи проанализировали на мышах, как образование бактериями биопленок влияет на течение болезни органов дыхания. Оказалось, что биопленки маскировали липополисахарид в составе мембраны патогена от TLR4-рецептора сенсорных нейронов легких, это подавляло синтез гипоталамусом кортиколиберина и маскировало симптомы. Кроме того, течение заболевания различалось у самцов и самок мышей. Независимо от внешних симптомов, воспаление и распространение бактерий в дыхательной системе грызунов продолжались, повреждая ткани легких.
Бактериальные инфекции дыхательных путей провоцируют воспаление, а вместе с ним — нарушение дыхания, недомогание, сонливость и другие симптомы. Течение болезни зависит от свойств патогена, в частности, его способности формировать биопленки. Клетки в таком сообществе объединены внеклеточным матриксом, включающим экзополисахариды (ЭПС). Синегнойная палочка Pseudomonas aeruginosa — причина в том числе респираторных заболеваний — продуцирует Pel и Psl, которые защищают ее от действия антибиотиков и ферментов, фагоцитоза нейтрофилами и связаны с неблагоприятным прогнозом для пациентов. Ученые из университета Калгари (Канада) и коллабораторы проанализировали, как ЭПС бактерии влияет на выраженность симптомов инфекции.
Авторы генетически модифицировали исходный штамм P. aeruginosa PAO1, в который ввели ген термочувствительной дигуанилатциклазы. Первый трансгенный штамм ЭПС+ активно синтезировал ЭПС при температуре тела. Во втором штамме исследователи инактивировали гены белков биосинтеза и выделения полисахаридов pelF и pslD, из-за чего бактерии перестали их производить (ЭПС-). Штамм ЭПС+ образовывал биопленки при 37°С, в то время как ЭПС- не мог этого делать.
Ученые инфицировали мышей полученными штаммами P. aeruginosa, а также патогенной кишечной палочкой Escherichia coli. Штамм ЭПС- и E. coli (но не ЭПС+) вызывали тяжелую пневмонию с серьезными изменениями в двигательной активности, пищевом и исследовательском поведении. Ответ на инфекцию различался в зависимости от пола животных: симптомы были более выражены у самцов, хотя бактериальная нагрузка в легких была выше у самок. Заражение ЭПС- штаммом сопровождалось снижением температуры тела (гипотермией) животных.
Измерение показателей воспаления у зараженных синегнойной палочкой мышей не объяснило различия в проявлении болезни. Так, рост уровней цитокинов и факторов роста в легочной ткани животных не зависел от выработки бактериями полисахаридов и формирования биопленок. Индукция нейтропении (снижения числа нейтрофилов) привела к значительному ухудшению самочувствия вплоть до летального исхода у мышей, зараженных ЭПС+. Однако более низкие титры нейтрофилов не повлияли на состояние мышей с инфекцией ЭПС-. По мнению ученых, эти наблюдения подчеркнули сложную взаимосвязь между инфекцией, вызванным заболеванием, ответом нейтрофилов и воспалением.
Оказалось, что биопленки позволяли грамотрицательным бактериям (синегнойной и кишечной палочкам) скрывать основной компонент своей мембраны — липополисахарид (ЛПС) — от обнаружения рецептором TLR4. Полный нокаут гена этого рецептора снизил проявления болезни, включая гипотермию, а также воспаление у зараженных штаммом ЭПС- мышей, однако не повлиял на распространение бактерий. Кроме того, воздействие очищенным ЛПС на грызунов с функциональным рецептором воспроизводило симптомы инфекции синегнойной палочки без формирования биопленок, что было меньше выражено у животных без рецептора.
Осталось выяснить, какие клетки с TLR4 вовлечены во взаимодействие с патогеном и развитие болезни. Проводя аналогию с пневмонией, вызванной грамположительным золотистым стафилококком Staphylococcus aureus, ученые предположили роль легочных сенсорных нейронов с ионным каналом TRPV1, обеспечивающих восприятие боли (ноцицепторов). Гипотезу подтвердили на мышах со специфичным нокаутом рецептора TLR4 в нейронах TRPV1+, а также в экспериментах с гибелью нейронов, вызванной действием резинифератоксина. В них зафиксировали улучшение состояния животных, включая поведение и показатели медиаторов воспаления, при инфекции ЭПС- и ЭПС+, однако содержание нейтрофилов в легких и бактериальная нагрузка не изменились.
Тяжесть болезни при заражении штаммами P. aeruginosa не могла быть объяснена различиями в уровне воспаления и, вероятно, находилась под влиянием мозга. Поскольку ЛПС не мог преодолеть гематоэнцефалический барьер и попасть в ЦНС напрямую, сигналы от ноцицепторов легких по блуждающему нерву могли достигать ядра одиночного пути, а его проекции — паравентрикулярного ядра (ПВЯ) гипоталамуса. Отслеживая активность нейронов ПВЯ по экспрессии генов c-fos, исследователи заметили, что нервные клетки, продуцирующие кортиколиберин, сильнее отвечали при инфекции мышей ЭПС- штаммом. Гормон кортиколиберин запускал стрессовую реакцию в организме, в результате которой развивались симптомы болезни и гипотермия.
Таким образом, более легкая форма респираторных болезней при инфекции бактериями-продуцентами экзополисахаридов связана с меньшей стимуляцией сенсорных нейронов легких и выделением гормонов стресса гипоталамусом. При этом воспаление дыхательных структур и распространение патогена продолжается, что приводит к серьезным поражениям легких. Симптомы заболевания выступают предупреждающим сигналом для окружающих, и их отсутствие способствует инфицированию большего числа людей. Также, по мнению авторов, дальнейшего изучения заслуживает разная степень тяжести недуга в зависимости от пола зараженного организма.
Granton E., et al. Biofilm exopolysaccharides alter sensory-neuron-mediated sickness during lung infection. // Cell, 2024, published 21 March 2024. DOI: 10.1016/j.cell.2024.03.001