Candida albicans — это дрожжевые грибки, которые часто обитают в желудочно-кишечном тракте и ротовой полости человека, а также в мочевыводящих и репродуктивных органах. Обычно он не вызывает заболевания у своего хозяина, но при определенных условиях может переходить во вредоносную форму. Большинство кандидозных инфекций не смертельны, но системная кандидозная инфекция, поражающая кровь, сердце и другие части тела, может быть опасной для жизни.

Исследователи Массачусетского технологического института определили компоненты слизи, которые могут взаимодействовать с Candida albicans и предотвращать заражение. Эти молекулы, известные как гликаны, являются основным компонентом муцинов, гелеобразующих полимеров, из которых состоит слизь.

Муцины содержат множество различных гликанов, представляющих собой сложные молекулы сахара. Растущее количество исследований предполагает, что гликаны могут быть специализированы, чтобы помочь приручить определенные патогены — не только Candida albicans , но и другие патогены, такие как Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus , — говорит Катарина Риббек, профессор Эндрю и Эрны Витерби в Массачусетском технологическом институте.

«Складывается впечатление, что слизь представляет собой обширную библиотеку низкомолекулярных соединений с большим количеством ингибиторов вирулентности против всех видов проблемных патогенов, готовых к открытию и использованию», — говорит Риббек, возглавлявший исследовательскую группу.

Использование этих муцинов может помочь исследователям разработать новые противогрибковые препараты или сделать болезнетворные грибки более восприимчивыми к существующим препаратам. В настоящее время таких препаратов мало, а некоторые виды патогенного грибка выработали к ним устойчивость.

Среди ключевых членов исследовательской группы также Рэйчел Хеви, научный сотрудник Базельского университета; Майкл Тимейер, профессор биохимии и молекулярной биологии Университета Джорджии; Ричард Каммингс, профессор хирургии Гарвардской медицинской школы; Кларисса Нобиле, адъюнкт-профессор молекулярной и клеточной биологии Калифорнийского университета в Мерседе; и Дэниел Возняк, профессор микробной инфекции и иммунитета, а также микробиологии в Университете штата Огайо.

Выпускница Массачусетского технологического института Джули Такаги является ведущим автором статьи, опубликованной сегодня в журнале Nature Chemical Biology.

Грибок среди нас

За последнее десятилетие Риббек и другие обнаружили, что слизь вовсе не является инертным продуктом жизнедеятельности, а играет активную роль в сдерживании потенциально вредных микробов. В слизи, которая выстилает большую часть тела, есть плотно упакованные сообщества различных микробов, многие из которых полезны, но некоторые вредны.

Candida albicans входит в число микробов, которые могут быть вредными, если их не сдерживать, вызывая инфекции рта и горла, известные как молочница, или вагинальные дрожжевые инфекции. Эти инфекции обычно можно вылечить с помощью противогрибковых препаратов, но инвазивные инфекции Candida albicans кровотока или внутренних органов, которые могут возникать у людей с ослабленной иммунной системой, имеют уровень смертности до 40 процентов.

Предыдущая работа Риббека показала, что муцины могут препятствовать переключению клеток Candida albicans из круглой формы дрожжей в многоклеточные нити, называемые гифами, которые являются вредоносной версией микроба. Гифы могут выделять токсины, которые повреждают иммунную систему и подлежащие ткани, а также необходимы для образования биопленки, что является признаком инфекции.

«Большинство инфекций Candida возникают в результате патогенных биопленок, которые по своей природе устойчивы к иммунной системе хозяина и противогрибковым препаратам, что создает серьезные клинические проблемы для лечения», — говорит Такаги.

В слизи дрожжевые клетки продолжают расти и процветать, но не становятся патогенными.

«Похоже, что эти патогены не причиняют вреда здоровым людям», — говорит Риббек. «В слизи есть что-то, что эволюционировало в течение миллионов лет, что, кажется, сдерживает патогены».

Муцины состоят из сотен гликанов, прикрепленных к длинному белковому остову, образуя структуру, похожую на щетку для бутылок. В этом исследовании Риббек и ее студенты хотели выяснить, могут ли гликаны обезвредить Candida albicans сами по себе, отделенные от муцинового остова, или же необходима целая молекула муцина.

После отделения гликанов от позвоночника исследователи подвергли их воздействию Candida albicans и обнаружили, что эти наборы гликанов могут препятствовать формированию нитей одноклеточных Candida. Они также могут подавлять адгезию и образование биопленки и изменять динамику взаимодействия Candida albicans с другими микробами. Это справедливо для муциновых гликанов, которые поступают из слюны человека и желудочной и кишечной слизи животных.

Очень сложно выделить отдельные гликаны из этих коллекций, поэтому группа Хеви из Университета Базеля синтезировала шесть различных гликанов, которых больше всего на поверхности слизистых оболочек, и использовала их для проверки того, могут ли отдельные гликаны обезоруживать Candida albicans.

«Отдельные гликаны почти невозможно выделить из образцов слизи с помощью современных технологий», — говорит Хеви. «Единственный способ изучить характеристики отдельных гликанов — это их синтез, который включает в себя чрезвычайно сложные и длительные химические процедуры». Она и ее коллеги входят в число немногих исследовательских групп по всему миру, которые разрабатывают методы синтеза этих сложных молекул.

Тестирование, проведенное в лаборатории Риббека, показало, что каждый из этих гликанов показал, по крайней мере, некоторую способность останавливать филаментацию сам по себе, а некоторые из них были столь же эффективны, как и наборы нескольких гликанов, которые исследователи ранее тестировали.

Анализ экспрессии генов Candida выявил более 500 генов, которые активируются или подавляются после взаимодействия с гликанами. К ним относятся не только гены, участвующие в формировании нитей и биопленок, но и другие роли, такие как синтез аминокислот и другие метаболические функции. Многие из этих генов, по-видимому, контролируются фактором транскрипции, называемым NRG1, основным регулятором, который активируется гликанами.

«Похоже, что гликаны действительно подключаются к физиологическим путям и перестраивают эти микробы», — говорит Риббек. «Это огромный арсенал молекул, которые способствуют совместимости хозяев».

Анализы, проведенные в этом исследовании, также позволили исследователям связать конкретные образцы муцина со структурами гликанов , обнаруженными в них, что должно позволить им дополнительно изучить, как эти структуры коррелируют с поведением микробов, говорит Тимейер.

«Используя современные гликомические методы, мы начали всесторонне определять богатство разнообразия муцин-гликанов и аннотировать это разнообразие в мотивы, которые имеют функциональные последствия как для хозяина, так и для микроба», — говорит он.

Библиотека молекул

Это исследование в сочетании с предыдущей работой Риббека по Pseudomonas aeruginosa и текущими исследованиями Staphylococcus aureus и Vibrio cholerae позволяет предположить, что разные гликаны специализируются на подавлении разных видов микробов.

Она надеется, что, используя это разнообразие гликанов, исследователи смогут разработать новые методы лечения различных инфекционных заболеваний. Например, гликаны можно использовать либо для остановки инфекции Candida , либо для повышения ее чувствительности к существующим противогрибковым препаратам путем разрушения нитей, которые они образуют в патогенном состоянии.

«Гликаны сами по себе потенциально могут обратить инфекцию вспять и преобразовать Candida в состояние роста, которое менее вредно для организма», — говорит Риббек. «Они также могут повышать чувствительность микробов к противогрибковым препаратам, потому что они индивидуализируют их, тем самым делая их более управляемыми для иммунных клеток».

В настоящее время Риббек работает с сотрудниками, специализирующимися на доставке лекарств, чтобы найти способы доставки гликанов муцина внутрь тела или на такие поверхности, как кожа. У нее также есть несколько исследований, изучающих, как гликаны влияют на различные микробы. «Мы изучаем различные патогены, изучая, как использовать этот удивительный набор естественных регуляторных молекул», — говорит она.

«Я очень взволнован этой новой работой, потому что я думаю, что она имеет важное значение для того, как мы будем разрабатывать новые противомикробные методы лечения в будущем», — говорит Нобиле. «Если мы выясним, как терапевтически доставить или увеличить количество этих защитных муциновых гликанов в слое слизистой оболочки человека, мы потенциально сможем предотвратить и лечить инфекции у людей, поддерживая микроорганизмы в их комменсальных формах».