Naukowcy śledzą ewolucję drobnoustrojów na powierzchni skóry

Nowe badania ujawniają, w jaki sposób Staphylococcus aureus(Gronkowiec złocisty) zyskuje mutacje, które pozwalają mu kolonizować plamy egzemy.

Ludzka skóra jest domem dla milionów drobnoustrojów. Jeden z tych drobnoustrojów, Staphylococcus aureus, jest oportunistycznym patogenem, który może atakować płaty skóry dotknięte egzemą, znaną również jako atopowe zapalenie skóry.

W nowym badaniu naukowcy z MIT i innych instytucji odkryli, że drobnoustrój ten może szybko ewoluować w mikrobiomie pojedynczej osoby. Odkryli, że u osób z egzemą S. aureus ma tendencję do ewolucji do wariantu z mutacją w określonym genie, który pomaga mu szybciej rosnąć na skórze.

Jest to pierwsze badanie, kiedy naukowcy bezpośrednio zaobserwowali tego rodzaju szybką ewolucję drobnoustroju związanego ze złożoną chorobą skóry. Odkrycia te mogą również pomóc naukowcom w opracowaniu potencjalnych metod leczenia, które łagodziłyby objawy egzemy poprzez celowanie w warianty S. aureus, które mają ten typ mutacji i które mają tendencję do pogarszania objawów egzemy.

“To pierwsze badanie, które wykazało, że genotypy Staph aureus zmieniają się u osób z atopowym zapaleniem skóry” – mówi Tami Lieberman, adiunkt w dziedzinie inżynierii lądowej i środowiskowej oraz członek Instytutu Inżynierii Medycznej i Nauki MIT. “Według mojej wiedzy jest to najbardziej bezpośredni dowód na adaptacyjną ewolucję mikrobiomu skóry”.

Lieberman i Maria Teresa García-Romero, dermatolog i adiunkt w Narodowym Instytucie Pediatrii w Meksyku, są starszymi autorami badania, które ukazało się w Cell Host and Microbe. Felix Key, były postdoc MIT, który jest obecnie liderem grupy w Max Planck Institute for Infection Biology, jest głównym autorem artykułu.

Szacuje się, że od 30 do 60 procent ludzi jest nosicielami S. aureus w nozdrzach, gdzie zwykle jest nieszkodliwy. U osób z egzemą, która dotyka około 10 milionów dzieci i 16 milionów dorosłych w Stanach Zjednoczonych, S. aureus często rozprzestrzenia się na plamy egzemy i infekuje skórę.

“Kiedy dochodzi do pęknięcia skóry, Staph aureus może znaleźć niszę, w której może rosnąć i replikować się” – mówi Lieberman. “Uważa się, że bakterie przyczyniają się do patologii, ponieważ wydzielają toksyny i rekrutują komórki odpornościowe, a ta reakcja immunologiczna dodatkowo uszkadza barierę skórną”.

W tym badaniu naukowcy chcieli zbadać, w jaki sposób S. aureus jest w stanie przystosować się do życia na skórze pacjentów z egzemą.

“Te drobnoustroje normalnie żyją w nosie i chcieliśmy wiedzieć, czy kiedy znajdą się na skórze z atopowym zapaleniem skóry, czy muszą się zmienić, aby tam żyć? I czy możemy dowiedzieć się czegoś o tym, jak te bakterie oddziałują ze skórą z atopowym zapaleniem skóry, obserwując ich ewolucję?” mówi Lieberman.

Aby odpowiedzieć na te pytania, naukowcy rekrutowali pacjentów w wieku od 5 do 15 lat, którzy byli leczeni z powodu umiarkowanej lub ciężkiej egzemy. Próbki drobnoustrojów na ich skórze pobierano raz w miesiącu przez trzy miesiące, a następnie ponownie po dziewięciu miesiącach. Próbki pobrano z grzbietów kolan i wewnętrznej strony łokci (najczęstszych miejsc dotkniętych egzemą), przedramion, które zwykle nie są dotknięte egzemą, oraz nozdrzy.

Komórki S. aureus z każdego miejsca pobrania próbki były hodowane oddzielnie, aby utworzyć do 10 kolonii z każdej próbki, a po utworzeniu dużych kolonii naukowcy sekwencjonowali genomy komórek. W ten sposób uzyskano prawie 1500 unikalnych kolonii, co umożliwiło naukowcom obserwowanie ewolucji komórek bakteryjnych w znacznie bardziej szczegółowy sposób, niż było to wcześniej możliwe.

Korzystając z tej techniki, naukowcy odkryli, że większość pacjentów utrzymywała jedną linię S. aureus – to znaczy, że bardzo rzadko zdarzało się, aby nowy szczep pochodził ze środowiska lub od innej osoby i zastępował istniejący szczep S. aureus. Jednak w obrębie każdej linii w ciągu dziewięciu miesięcy badania doszło do wielu mutacji i ewolucji.

“Pomimo stabilności na poziomie linii, widzimy dużą dynamikę na poziomie całego genomu, gdzie nowe mutacje stale pojawiają się w tych bakteriach, a następnie rozprzestrzeniają się po całym organizmie” – mówi Lieberman.

Wiele z tych mutacji powstało w genie o nazwie capD, który koduje enzym niezbędny do syntezy polisacharydu otoczkowego – powłoki, która chroni S. aureus przed rozpoznaniem przez komórki odpornościowe. Naukowcy odkryli, że u dwóch z sześciu głęboko przebadanych pacjentów komórki z mutacjami capD przejęły całą populację mikrobiomu skóry S. aureus. Inni pacjenci zostali skolonizowani szczepami początkowo pozbawionymi funkcjonalnej kopii capD, co dało łącznie 22 procent pacjentów pozbawionych capD pod koniec badania. U jednego pacjenta cztery różne mutacje capD powstały niezależnie w różnych próbkach S. aureus, zanim jeden z tych wariantów stał się dominujący i rozprzestrzenił się w całym mikrobiomie.

Ukierunkowane leczenie

W testach komórek bakteryjnych rosnących w naczyniu laboratoryjnym naukowcy wykazali, że mutacje w capD pozwoliły S. aureus rosnąć szybciej niż szczepy S. aureus z normalnym genem capD. Synteza polisacharydu otoczkowego wymaga dużej ilości energii, więc gdy komórki nie muszą go wytwarzać, mają więcej paliwa do napędzania własnego wzrostu. Naukowcy postawili również hipotezę, że utrata kapsułki może pozwolić drobnoustrojom lepiej przylegać do skóry, ponieważ białka, które pozwalają im przylegać do skóry, są bardziej narażone.

Naukowcy przeanalizowali również prawie 300 publicznie dostępnych genomów bakterii wyizolowanych od osób z egzemą i bez niej i odkryli, że osoby z egzemą znacznie częściej miały warianty S. aureus, które nie mogły wytwarzać polisacharydu otoczkowego niż osoby bez egzemy.

Egzema jest zwykle leczona środkami nawilżającymi lub miejscowymi sterydami, a lekarze mogą przepisać antybiotyki, jeśli okaże się, że skóra jest zainfekowana. Naukowcy mają nadzieję, że ich odkrycia mogą doprowadzić do opracowania terapii łagodzących objawy egzemy poprzez ukierunkowanie na warianty S. aureus z mutacjami w polisacharydzie otoczkowym.

“Nasze odkrycia w tym badaniu dostarczają wskazówek, w jaki sposób Staph aureus ewoluuje wewnątrz żywicieli i ujawniają niektóre cechy, które mogą pomóc bakterii pozostać na skórze i wywoływać choroby, a nie być w stanie zostać usuniętym” – mówi García-Romero. “W przyszłości warianty S. aureus z mutacjami w polisacharydzie otoczkowym mogą być istotnym celem dla potencjalnych terapii”.

Laboratorium Lieberman pracuje obecnie nad opracowaniem probiotyków, które mogłyby być stosowane do zwalczania kapsułkowo-ujemnych szczepów S. aureus. Jej laboratorium bada również, czy szczepy S. aureus z mutacjami capD są bardziej podatne na rozprzestrzenianie się na innych członków gospodarstwa domowego pacjenta z egzemą.

Badania zostały sfinansowane przez MISTI Global Seed Funds, National Institutes of Health, Burroughs Wellcome Fund, Program Badań Zdrowotnych i Rozwoju Technologicznego Ministerstwa Podatków Meksyku oraz stypendium Niemieckiej Fundacji Badawczej.

MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY | DOI: /10.1016/j.chom.2023.03.009