С помощью биохимического анализа, новейших технологий визуализации и компьютерного моделирования исследование, проведенное учеными из Мичиганского государственного университета, показало, как грибы перестраивают свои клеточные стенки, чтобы помешать действию противогрибковых препаратов. Кредит: Рисунок адаптирован из Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50799-8
Ежегодно опасные для жизни инвазивные грибковые инфекции поражают более 2 миллионов человек во всем мире. Смертность от этих инфекций высока, даже когда пациенты получают лечение.
Aspergillus fumigatus, наиболее частая причина инвазивных грибковых инфекций у людей с подавленной иммунной системой, является причиной примерно 100 000 смертей ежегодно во всем мире. Плохие результаты лечения являются результатом неэффективности терапии и устойчивости грибка к существующим лекарствам.
Новое многоинституциональное исследование под руководством исследователей из Мичиганского государственного университета охарактеризовало, как грибки адаптируются к перестройке своих клеточных стенок, эффективно препятствуя текущим противогрибковым препаратам. Эта новая информация открывает возможности для разработки более эффективных способов использования противогрибковых препаратов. Результаты были опубликованы 31 июля в журнале Nature Communications
«Чтобы улучшить использование и разработать новые противогрибковые препараты, нам нужно понять цель», — сказал Туо Ван, первый доцент кафедры химии Мичиганского государственного университета имени Карла Х. Брубейкера-младшего и ведущий автор исследования. «Это нелегко сделать, поскольку клеточная стенка очень сложна».
Исследование также было выбрано для включения в раздел Editors' Highlights журнала как одна из 50 лучших статей, недавно опубликованных Nature Communications в области микробиологии и инфекционных заболеваний.
Ван и его команда полагают, что благодаря этой работе они заложили основу для фармацевтических компаний, чтобы адаптировать или объединить существующие противогрибковые препараты, чтобы помочь им преодолеть свои предыдущие ограничения.
В этой модели, созданной лабораторией Вермааса, небольшие молекулы, идентифицированные с помощью методов визуализации, собираются вместе в клеточной стенке, чтобы укрепить защитную структуру при воздействии фунгицидов. Кредит: Моделирование адаптировано из. Природные коммуникации (2024 г.). DOI: 10.1038/s41467-024-50799-8
Клеточное ремоделирование
Противогрибковые препараты нацелены на молекулы клеточной стенки грибков, гибкого, но жесткого внешнего слоя, обеспечивающего защиту клеток. Разрывая защитную структуру, препараты убивают грибковую клетку, чтобы контролировать грибковую инфекцию.
Одно из новейших семейств противогрибковых препаратов, эхинокандины, нацелено на основные строительные блоки в клеточной стенке, известные как b-глюканы. Эта атака должна быть эффективной, но грибы — необычные организмы, которые развили стратегии выживания, чтобы перестраивать и укреплять архитектуру стенки.
В своем новом отчете Ван и его коллеги определили атом за атомом конфигурации клеточной стенки после воздействия эхинокандинов. Для этого они использовали биохимический анализ и самые современные методы визуализации, включая твердотельный ядерный магнитный резонанс, динамическую ядерную поляризацию, просвечивающий электронный микроскоп и атомно-силовую микроскопию.
Затем они поделились результатами с командой из MSU-Department of Energy Plant Research Laboratory (PRL). Команда PRL разработала молекулярно-динамические симуляции для иллюстрации наномасштабных изменений, которые разворачиваются в течение часов или дней в клеточной стенке грибка.
«ЯМР говорит нам, что вещи реагируют, но нет никакой картины», — сказал Джош Вермаас, доцент в PRL. Он также связан с кафедрой биохимии и молекулярной биологии МГУ и Программой молекулярных наук о растениях.
Вермаас является соавтором исследования и вместе с Дайпайаном Саркаром, научным сотрудником в PRL, провел часть моделирования исследования.
«Мы создали визуально привлекательные картины того, как молекулы объединяются в наномасштабе, имитируя молекулярные детали, к которым мы иначе не получили бы доступа», — сказал Вермаас.
Команда обнаружила, что при воздействии эхинокандина грибы повышают свои шансы на выживание, внося определенные изменения в структуру и организацию компонентов в своих клеточных стенках. В частности, по мере снижения концентрации b-глюканов грибы быстро увеличивают присутствие различных, но родственных молекул для регенерации и сохранения целостности клеточной стенки.
Кроме того, полисахаридные структуры, такие как галактоманнан и галактозаминогалактан, перестраиваются для повышения жесткости и гидрофобности полимерной сети в мембране.
«Мы обнаружили, что супрамолекулярная сборка была полностью перестроена», — сказал Ван. «Этот динамичный танец разворачивается как на химическом, так и на наноуровне, делая клеточную стенку более прочной, но гибкой, обеспечивая выживание в условиях стресса».
Реакция грибка на препарат не только увеличила прочность и устойчивость клеточной стенки, новая архитектура также во многих случаях устраняет мишень для препарата. Это делает препараты неэффективными против распространения грибка.
«Биология дика», — сказал Вермаас. «Эволюционное давление позволило развиться таким механизмам, но, черт возьми. Как грибы до этого додумались?»
Споры грибков повсеместно распространены в окружающей среде, но иммунная система здорового человека может вымести споры из организма. Однако люди с ослабленной иммунной системой восприимчивы к тому, что споры закрепятся. Это означает, например, что людям, проходящим лечение от рака, получающим трансплантацию органов или борющимся с другими заболеваниями, включая СПИД и COVID, будет сложнее избавиться от незваных гостей.
В организме грибки обосновываются в легких и посылают длинные ветвящиеся структуры, называемые гифами, глубоко в легочную ткань. Хотя лекарства или хирургическое вмешательство могут облегчить инфекцию, как только она появилась, ее практически невозможно устранить.
В настоящее время на рынке представлено всего четыре семейства противогрибковых препаратов, каждое из которых ограничено эволюционными грибковыми препятствиями, такими как то, что было выявлено в этом исследовании. Вот почему наличие эффективных противогрибковых препаратов сейчас необходимо больше, чем когда-либо, сказал Ван.
«Мы занимаемся фундаментальной наукой», — сказал Ван. «Теперь, когда мы понимаем, как грибки выживают после противогрибкового лечения, эти знания будут полезны для разработки новых лекарств».
В исследовании также приняли участие Иша Гаутам и Ши-Ю Дин из MSU; Фредерик Ментинк-Вижье из Национальной лаборатории сильных магнитных полей; Эндрю Липтон из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, Тьерри Фонтен из Университета Париж-Сите; Жан-Поль Латже из Университета Крита и Пин Ван из Центра медицинских наук Университета штата Луизиана.
Дополнительная информация: Малита К. Диквелла Виданаж и др., Адаптивное выживание Aspergillus fumigatus к эхинокандинам возникает из-за ремоделирования клеточной стенки за пределами ингибирования синтеза β−1,3-глюкана, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50799-8
Информация о журнале: Nature Communications
Предоставлено Университетом штата Мичиган
