Przełomowe modyfikacje umożliwiły ulepszonym bakteriom efektywniejsze blokowanie Salmonelli w jelitach oraz jednoczesną stymulację układu odpornościowego organizmu. Odkrycie polskich badaczy może w przyszłości stanowić alternatywę dla antybiotykoterapii w obliczu narastającego problemu oporności lekowej.
Ograniczenie nisz dla patogenu. Jak działa zmodyfikowana bakteria
Koncepcja udoskonalenia pożytecznych mikroorganizmów powstała w zespole dr. hab. Krzysztofa Grzymajły, prof. UPWr. Zespół naukowy z Wrocławia od lat koncentrował się na analizie mechanizmów adhezji, czyli procesie przylegania bakterii do komórek gospodarza, ze szczególnym uwzględnieniem patogenów z rodzaju Salmonella. Aby uwzględnić naturalne środowisko jelitowe, postanowiono rozszerzyć zakres analiz o trzeci element: bakterie probiotyczne obecne w mikrobiomie.
Do prac badawczych wytypowano modelowy szczep Escherichia coli Nissle 1917. Choć niektóre odmiany E. coli wywołują infekcje układu pokarmowego, ten konkretny szczep zasiedla jelita w sposób naturalny i od dawna jest wykorzystywany probiotycznie. Ze względu na bogatą literaturę naukową oraz dobrze znaną strukturę genetyczną, szczep ten stanowił idealny materiał do eksperymentów laboratorium UPWr.
Modyfikacja genetyczna objęła białko FimH umieszczone na końcach włoskowatych struktur zwanych fimbriami typu 1, które służą bakteriom do przyczepiania się do podłoża. Badacze przetestowali trzy warianty mutacji. Najlepsze rezultaty przyniosła zmiana oznaczona jako G66R. W próbach laboratoryjnych na hodowlach komórkowych zmodyfikowany probiotyk wykazywał około czterokrotnie silniejszą adhezję do komórek nabłonka jelitowego w porównaniu ze szczepem wyjściowym.
Zwiększona zdolność przylegania pozwoliła ulepszonemu szczepowi na skuteczniejsze zajmowanie przestrzeni jelitowej. W efekcie Salmonella została pozbawiona dostępu do kluczowych nisz oraz zasobów niezbędnych do rozwoju i dalszego rozprzestrzeniania się w organizmie.
Próby przedkliniczne. Znaczna redukcja bakterii w narządach
Po zakończeniu etapu laboratoryjnego naukowcy przeprowadzili testy na modelu mysim. Zwierzętom podawano tradycyjny lub zmodyfikowany genetycznie szczep probiotyczny, a następnie wywoływano u nich zakażenie szczepem Salmonella Typhimurium. Wyniki wykazały jednoznaczną przewagę zmodyfikowanej bakterii.
Myszom poddanym działaniu usprawnionego probiotyku towarzyszył łagodniejszy przebieg infekcji:
– odnotowano u nich mniejszy spadek masy ciała,
– poziom patogenów w jelitach i narządach wewnętrznych uległ drastycznej redukcji,
– liczba bakterii w śledzionie była 7300 razy niższa niż u osobników bez wsparcia zmodyfikowanym probiotykiem,
– w wątrobie zarejestrowano 1700-krotny spadek obecności komórek bakterii.
U badanych zwierząt nie wystąpiła również splenomegalia, czyli powiększenie śledziony będące typowym objawem ciężkiego, ogólnoustrojowego przebiegu infekcji Salmonellą. Badania opublikowane w czasopiśmie „npj Biofilms and Microbiomes” potwierdziły fizyczną redukcję skutków zakażenia przez probiotyk.
Dwutorowy mechanizm walki. Stymulacja układu immunologicznego
Dalsza analiza przebiegu infekcji wykazała obecność dodatkowego mechanizmu ochronnego. Zmodyfikowany szczep E. coli Nissle 1917 działał nie tylko poprzez bezpośrednią konkurencję przestrzenną w jelitach, ale stymulował również reakcję odpornościową organizmu gospodarza.
U zwierząt przyjmujących zmodyfikowany preparat zaobserwowano wzrost liczby limfocytów T, ze szczególnym uwzględnieniem limfocytów cytotoksycznych CD8+. Zadaniem tych komórek jest eliminowanie patogenów ukrywających się we wnętrzu komórek organizmu. Salmonella wykorzystuje makrofagi – komórki układu odpornościowego – jako schronienie do namnażania się i nośnik do rozprzestrzeniania w kolejnych tkankach. Rozpoznanie i niszczenie zakażonych makrofagów przez aktywowane limfocyty ograniczało ten proces.
Naukowcy zakładają, że zmienione białko fimbriowe probiotyku może oddziaływać na dodatkowe receptory komórkowe gospodarza, wzbudzając szlaki sygnałowe odpowiedzialne za mobilizację immunologiczną. Dokładny przebieg tej aktywacji będzie przedmiotem kolejnych analiz zespołu.
Perspektywy zastosowania. Od hodowli drobiu po medycynę ludzką
Planowane prace mają wyjaśnić uniwersalność zaobserwowanego zjawiska oraz sprawdzić, czy podobne modyfikacje innych bakterii probiotycznych pozwolą uzyskać analogiczną odpowiedź organizmu. Potencjalny charakter ulepszenia stwarza szansę na wykorzystanie szczepów do ochrony przed szerszym spektrum patogenów.
W najbliższej przyszłości wrocławscy naukowcy zamierzają przeprowadzić badania na kurczętach. Zakażenia Salmonellą stanowią wyzwanie w branży hodowli drobiu, a wdrożenie skutecznego probiotyku mogłoby ograniczyć straty i podnieść bezpieczeństwo żywnościowe.
Długofalowym celem zespołu jest adaptacja metody na potrzeby medycyny ludzkiej. W dobie rosnącej oporności drobnoustrojów na antybiotyki, modyfikowane probiotyki mogą stać się jedną z alternatywnych metod terapeutycznych w zwalczaniu trudnych infekcji bakteriobójczych.
