Molekyler fundet i slim kan modvirke svampeinfektion

Candida albicans er en gær, der ofte lever i menneskets fordøjelseskanal og mund, samt urin- og reproduktive organer. Normalt forårsager den ikke sygdom hos værten, men under visse forhold kan den skifte til en skadelig form. Mest Candida Infektioner er ikke dødelige, men systemiske Candida infektion, som påvirker blodet, hjertet og andre dele af kroppen, kan være livstruende.

MIT-forskere har nu identificeret komponenter af slim, der kan interagere med Candida albicans og forhindre det i at forårsage infektion. Disse molekyler, kendt som glycaner, er en hovedbestanddel af muciner, de geldannende polymerer, der udgør slim.

Muciner indeholder mange forskellige glykaner, som er komplekse sukkermolekyler. En voksende mængde forskning tyder på, at glykaner kan specialiseres til at hjælpe med at tæmme specifikke patogener – ikke kun Candida albicans men også andre patogener såsom Pseudomonas aeruginosa og Staphylococcus aureus , siger Katharina Ribbeck, Andrew og Erna Viterbi professor ved MIT.

"Det billede, der tegner sig, er, at slim udviser et omfattende bibliotek med små molekyler med masser af virulenshæmmere mod alle mulige problematiske patogener, klar til at blive opdaget og udnyttet," siger Ribbeck, der har ledet forskergruppen.

Udnyttelse af disse muciner kan hjælpe forskere med at designe nye svampedræbende lægemidler eller gøre sygdomsfremkaldende svampe mere modtagelige for eksisterende lægemidler. I øjeblikket er der få sådanne lægemidler, og nogle typer af patogene svampe har udviklet resistens over for dem.

Nøglemedlemmer af forskerholdet omfatter også Rachel Hevey, en forskningsmedarbejder ved University of Basel; Micheal Tiemeyer, professor i biokemi og molekylærbiologi ved University of Georgia; Richard Cummings, professor i kirurgi ved Harvard Medical School; Clarissa Nobile, lektor i molekylær- og cellebiologi ved University of California i Merced; og Daniel Wozniak, professor i mikrobiel infektion og immunitet og i mikrobiologi ved Ohio State University.

MIT kandidatstuderende Julie Takagi er hovedforfatter af papiret, som vises i dag i Nature Chemical Biology .

Svamp blandt os

I løbet af det seneste årti har Ribbeck og andre opdaget, at slim, langt fra at være et inert affaldsprodukt, spiller en aktiv rolle i at holde potentielt skadelige mikrober under kontrol. Inden i slimet, der beklæder en stor del af kroppen, er der tætpakkede samfund af forskellige mikrober, mange gavnlige, men nogle skadelige.

Candida albicans er blandt de mikrober, der kan være skadelige, hvis de ikke er indeholdt, hvilket forårsager infektioner i mund og svælg kendt som trøske eller vaginale gærinfektioner. Disse infektioner kan normalt ryddes op med svampedræbende lægemidler, men invasive Candida albicans infektioner i blodbanen eller indre organer, som kan forekomme hos personer med svækket immunsystem, har en dødelighed på op til 40 procent.

Ribbecks tidligere arbejde har vist, at muciner kan forhindre Candida albicans celler fra at skifte fra sin runde gærform til flercellede filamenter kaldet hyfer, som er den skadelige version af mikroben. Hyfer kan udskille toksiner, der skader immunsystemet og det underliggende væv, og er også afgørende for biofilmdannelse, hvilket er et kendetegn for infektion.

"De fleste Candida infektioner skyldes patogene biofilm, som er iboende resistente over for værtens immunsystem og antifungale midler, hvilket udgør betydelige kliniske udfordringer for behandlingen," siger Takagi.

I slim fortsætter gærceller med at vokse og trives, men de bliver ikke sygdomsfremkaldende.

"Disse patogener ser ikke ud til at forårsage skade hos raske individer," siger Ribbeck. "Der er noget i slim, der har udviklet sig over millioner af år, som ser ud til at holde patogener i skak."

Muciner består af hundredvis af glycaner knyttet til en lang proteinrygrad for at danne en flaskebørstelignende struktur. I denne undersøgelse ønskede Ribbeck og hendes elever at undersøge, om glykaner kunne afvæbne Candida albicans alene, løsrevet fra mucin-rygraden, eller hvis hele mucin-molekylet er nødvendigt.

Efter at have adskilt glykaner fra rygraden, udsatte forskerne dem for Candida albicans og fandt ud af, at disse samlinger af glykaner kunne forhindre encellet Candida fra dannelse af filamenter. De kunne også undertrykke adhæsion og biofilmdannelse og ændre dynamikken i Candida albicans interaktion med andre mikrober. Dette gjaldt for mucinglykaner, der kom fra menneskespyt og dyrs mave- og tarmslim.

Det er meget vanskeligt at isolere enkelte glykaner fra disse samlinger, så Heveys gruppe ved University of Basel-forskere syntetiserede seks forskellige glykaner, der er mest udbredt på slimhindeoverflader, og brugte dem til at teste, om individuelle glykaner kan afvæbne Candida albicans i> .

"Individuelle glykaner er næsten umulige at isolere fra slimprøver med nuværende teknologier," siger Hevey. "Den eneste måde at studere de individuelle glykaners egenskaber på er at syntetisere dem, hvilket involverer ekstremt komplicerede og langvarige kemiske procedurer." Hun og hendes kolleger er blandt et lille antal forskningsgrupper verden over, der udvikler metoder til at syntetisere disse komplekse molekyler.

Test udført i Ribbecks laboratorium viste, at hver af disse glykaner viste i det mindste en vis evne til at stoppe filamentering på egen hånd, og nogle var lige så kraftige som samlingerne af flere glykaner, som forskerne tidligere havde testet.

En analyse af Candida genekspression identificerede mere end 500 gener, der enten er opreguleret eller nedreguleret efter interaktioner med glycaner. Disse omfattede ikke kun gener involveret i filament- og biofilmdannelse, men også andre roller såsom syntese af aminosyrer og andre metaboliske funktioner. Mange af disse gener ser ud til at være styret af en transkriptionsfaktor kaldet NRG1, en masterregulator, der aktiveres af glykanerne.

"Glykanerne ser ud til virkelig at komme ind på fysiologiske veje og omkoble disse mikrober," siger Ribbeck. "Det er et enormt arsenal af molekyler, der fremmer værtskompatibilitet."

Analyserne udført i denne undersøgelse gjorde det også muligt for forskerne at knytte specifikke mucinprøver til de glycanstrukturer, der findes i dem, hvilket skulle give dem mulighed for yderligere at udforske, hvordan disse strukturer korrelerer med mikrobiel adfærd, siger Tiemeyer.

"Ved at bruge state-of-the-art glykomiske metoder er vi begyndt at definere rigdommen af ​​mucin glycan diversitet og at annotere denne diversitet til motiver, der har funktionelle implikationer for både vært og mikrobe," siger han.

Et bibliotek af molekyler

Denne undersøgelse kombineret med Ribbecks tidligere arbejde om Pseudomonas aeruginosa og igangværende undersøgelser af Staphylococcus aureus og Vibrio cholerae , tyder på, at forskellige glykaner er specialiserede til at deaktivere forskellige slags mikrober.

Hun håber, at forskere ved at udnytte denne række af glykaner vil være i stand til at udvikle nye behandlinger rettet mod forskellige infektionssygdomme. Som et eksempel kan glykaner bruges til enten at stoppe en Candida infektion eller hjælpe med at sensibilisere det over for eksisterende svampedræbende lægemidler ved at bryde de filamenter op, de danner i den patogene tilstand.

"Glykanerne alene kan potentielt vende en infektion og konvertere Candida til en væksttilstand, der er mindre skadelig for kroppen," siger Ribbeck. "De kan også sensibilisere mikroberne over for svampedræbende midler, fordi de individualiserer dem og dermed også gør dem mere håndterbare af immunceller."

Ribbeck arbejder nu med samarbejdspartnere, der specialiserer sig i lægemiddellevering, for at finde måder at levere mucinglykaner inde i kroppen eller på overflader som huden. Hun har også flere undersøgelser i gang, der undersøger, hvordan glykaner påvirker en række forskellige mikrober. "Vi bevæger os gennem forskellige patogener og lærer, hvordan vi kan udnytte dette fantastiske sæt af naturlige regulatoriske molekyler," siger hun.

"Jeg er virkelig begejstret for dette nye arbejde, fordi jeg tror, ​​det har vigtige konsekvenser for, hvordan vi udvikler nye antimikrobielle behandlinger i fremtiden," siger Nobile. "Hvis vi finder ud af, hvordan vi terapeutisk leverer eller øger disse beskyttende mucinglykaner i det menneskelige slimhindelag, kan vi potentielt forebygge og behandle infektioner hos mennesker ved at opretholde mikroorganismer i deres kommensale former." + Udforsk yderligere

Undersøgelse afslører, hvordan slim tæmmer mikrober