Не так страшно, как кажется: предсказывать, как бактерии в слизи влияют на здоровье человека

Не так страшно, как кажется: прогнозирование влияния бактерий слизи на здоровье человека
Культура Pseudomonas aeruginosa, бактериальный патоген, который находится в центре внимания исследователей NIH. Эта бактерия является причиной серьезных последствий для здоровья у пациентов с муковисцидозом. Предоставлено: Университет Вирджинии.

Люди дышат в среднем от 17 000 до 23 000 раз в день. Но для более чем 70 000 детей и молодых людей во всем мире перевести дыхание может быть проблемой из-за редкого заболевания, кистозного фиброза.

Ген, который обычно запускает определенный белок для перемещения хлоридов, содержащихся в соли, на клеточные поверхности, где он может привлекать воду, вызывая сбои в работе у пациентов с муковисцидозом, поэтому их слизь становится густой и липкой.

В легких густая слизь забивает дыхательные пути. Он также становится питательной средой для вредных бактерий, таких как Pseudomonas aeruginosa, особенно неприятного патогена, который может быстро привести к воспалению и опасным для жизни инфекциям.

Обычно слизь является не просто побочным продуктом простуды или вирусной инфекции; это важный биологический материал, который помогает нам бороться с болезнями. В нашем организме образуется много слизи, возможно, до 1,5 литров в день, которая служит защитным покрытием в наших пазухах, легких, кишечнике, желудке и горле.

«Слизистые оболочки являются таким важным барьером между нами и внешним миром, и мы знаем, что любое нарушение этого является большим источником проблем, но на самом деле очень мало известно о взаимодействиях между муцинами — этими первичными компонентами. о слизи и бактериях «, — говорит Джейсон Папин, профессор кафедры биомедицинской инженерии Университета Вирджинии, возглавляющий новый консорциум инженеров и ученых, которые используют моделирование для прогнозирования того, как эти взаимодействия могут повлиять на здоровье человека. Лаборатория Папина фокусируется на построении вычислительных, прогностических моделей микробных патогенов.

К нему присоединился со-главный исследователь Розанна Форд, профессор кафедры химической инженерии UVA, которая имеет большой опыт изучения движения бактерий.

Их междисциплинарная многоуниверситетская группа недавно получила пятилетний грант в размере 3,2 млн. долларов США от Национального института здравоохранения для исследования и построения многомасштабной модели взаимодействия муцина, особенно в отношении бактерий Pseudomonas aeruginosa. Результаты исследования могут однажды привести к лучшему лечению муковисцидоза, а также других бактериальных инфекций, связанных со слизью.

Помимо Папина и Форда в команду исследователей входит Шейн Пирс-Коттлер из Медицинской школы UVA, профессор кафедры биомедицинской инженерии, специализирующейся на компьютерном и агентном моделировании; Джоанна Голдберг, бактериальный генетик из Университета Эмори, который ранее был профессором кафедры микробиологии, иммунологии и биологии рака UVA и десятилетиями изучал Pseudomonas aeruginosa; и Катарина Риббек, профессор карьеры Хайман по развитию карьеры на кафедре биологической инженерии Массачусетского технологического института, чьи основные исследования были сосредоточены на слизистых барьерах.

Новое исследование возникло из пилотного гранта в UVA Engineering несколько лет назад для разработки предложений для крупных инженерных исследовательских центров, сказал Папин. Этот пилотный грант заложил основу для текущего сотрудничества и исследований.

«Мы пришли к этому от патогенных микроорганизмов, бактерий», — сказал Папин. «Моя лаборатория проделала большую работу с Pseudomonas aeruginosa. Эта бактерия — огромная проблема в сообществе муковисцидоза. Но это действительно большая проблема во многих других областях, таких как инфекции мочевыводящих путей и ожоговые раны, и людей, которые с ослабленным иммунитетом, как больные СПИДом и больные раком при химиотерапии. «

Папин работает с Голдбергом более 10 лет над созданием компьютерных моделей метаболизма этих бактерий, что позволяет лучше понять, как Pseudomonas aeruginosa выживает в сложных условиях.

Не так сильно, как кажется: прогнозирование влияния бактерий в слизи на здоровье человека
Муциновая сеть, которая является основным компонентом слизи. Предоставлено: Катарина Риббек.

«Это те периодические, долговременные инфекции легких, которые можно лечить антибиотиками», — сказал Голдберг. «Но в отличие от типичной инфекции, которая проходит, эта бактерия будет возвращаться снова и снова. И поэтому пациенты постоянно проходят курс лечения антибиотиками».

Исследователи изучают, как бактерии перемещаются в слизи и какие химические сигналы могут происходить. Форд работает с Папином в течение нескольких лет над этим и привносит свой опыт химического машиностроения.

«Моя роль в первую очередь состоит в том, чтобы взглянуть на моделирование химического транспорта и бактериального транспорта в так называемом макроскопическом масштабе», — сказал Форд. «Внутри слизи распределение бактерий в разных химических веществах влияет на то, как они могут изменить свой фенотип. В зависимости от этих внешних химических сигналов клетки могут реагировать по-разному, включая и выключая различные гены, что может сделать их более или менее вирулентными. . «

Этот грант позволит исследователям разработать многомерную вычислительную модель, которая может направлять экспериментальный дизайн группы с целью лучшего понимания взаимосвязи между микробами и муцином.

«Несмотря на то, что мы концентрируемся на том, что происходит в Pseudomonas aeruginosa, миллионы других бактерий находятся в одном и том же месте, живут в одном районе и плавают в той же слизи», — говорит Пирс-Коттлер, которая -директор Центра современного биопроизводства UVA и дочернего факультета Инициативы UVA по фиброзу. «И поэтому существуют взаимодействия между Pseudomonas aeruginosa и другими полезными бактериями, которые живут в слизи, чтобы помочь защитить нас и бороться с Pseudomonas aeruginosa. Это невероятно сложно в отношении этих разных насекомых и этих различных белков, но именно поэтому мы должны использовать компьютерное моделирование. «

Пирс-Коттлер соединит метаболическое моделирование от Папина и Голдберга с моделированием химического транспорта Форда, чтобы создать прогностическую модель, которая может позволить более сфокусированное лечение муковисцидоза и других слизистых инфекций.

Базовое понимание муцинов и их биологической роли в нашем организме можно проследить до новаторской работы Риббека; она сыграла важную роль в определении биохимии слизи.

«В течение миллионов лет кажется, что слизь выработала способность контролировать проблемные патогены. И именно с этого я и начал исследовать мою исследовательскую группу, чтобы понять, как слизь влияет на поведение и жизнь микробов, которые живут внутри, «сказал Риббек.

Ее исследование выявило сложную экологию, которая существует в слизи, которая может помочь нам бороться с патогенами или создать идеальную почву для них. Понимать, что означают все эти взаимодействия внутри слизи, непросто.

«Вы можете распаковать сложность проблемы слой за слоем с помощью экспериментальных подходов, но затем кто-то должен собрать их вместе для всесторонней картины и понимания, и это то, к чему стремится команда», — сказал Риббек.

Папин полагает, что исследование может в конечном итоге привести к более эффективному нацеливанию на антибиотики и разработке стратегий лечения инфекций микробными патогенами, такими как Pseudomonas aeruginosa.

«Мы знаем, что разные люди по-разному подвержены различным видам инфекций», — сказал Папин. «Итак, давайте создадим эти компьютерные модели, чтобы попытаться уловить некоторые из этих различий и попытаться понять, каковы слабые места в этой системе, чтобы мы могли разработать новые инструменты и новые методы лечения для улучшения здоровья человека».

0 0
0 %
Happy
0 %
Sad
0 %
Excited
0 %
Angry
0 %
Surprise

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Close