Os micróbios infecciosos desenvolveram meios sofisticados para invadir as células hospedeiras, enganar as defesas do corpo e causar doenças.
Embora os pesquisadores tenham tentado decifrar as complicadas interações entre microorganismos e as células hospedeiras que eles infectam, uma faceta do processo da doença tem sido frequentemente negligenciada – as forças físicas que afetam as interações hospedeiro-patógeno e os resultados da doença.
Em um novo estudo, os autores correspondentes Cheryl Nickerson, Jennifer Barrila e seus colegas demonstram que, sob condições de baixa força de cisalhamento de fluido que simulam aquelas encontradas na cultura de microgravidade durante o voo espacial, o patógeno transmitido por alimentos Salmonella infecta modelos 3-D de tecido intestinal humano em níveis muito mais altos e induz alterações únicas na expressão gênica.
Este estudo avança em trabalhos anteriores da mesma equipe, mostrando que as forças físicas de cisalhamento de fluido atuando tanto no patógeno quanto no hospedeiro podem transformar o cenário da infecção.
Compreender essa interação sutil de hospedeiro e patógeno durante a infecção é fundamental para garantir a saúde dos astronautas, principalmente em missões espaciais estendidas. Essa pesquisa também lança nova luz sobre os processos de infecção ainda em grande parte misteriosos na Terra, já que baixas forças de cisalhamento de fluidos também são encontradas em certos tecidos em nossos corpos que os patógenos infectam, incluindo o trato intestinal.
Embora a equipe tenha caracterizado extensivamente a interação entre culturas de frascos de agitação convencionalmente cultivadas de Salmonella Typhimurium e modelos intestinais 3-D, este estudo marca a primeira vez que S. Typhimurium foi cultivado sob condições de baixo cisalhamento de fluido de microgravidade simulada e, em seguida, usado para infectar um modelo 3-D de epitélio intestinal humano co-cultivado com células imunes de macrófagos, principais tipos de células alvo de Salmonella durante a infecção.
O modelo intestinal de co-cultura 3-D usado neste estudo replica mais fielmente a estrutura e o comportamento do mesmo tecido dentro do corpo humano e é mais preditivo de respostas à infecção, em comparação com culturas de células laboratoriais convencionais.
Os resultados mostraram mudanças dramáticas na expressão gênica de células intestinais 3-D após infecção com cepas de S. Typhimurium de tipo selvagem e mutantes cultivadas sob condições de microgravidade simuladas. Muitas dessas mudanças ocorreram em genes conhecidos por estarem intimamente envolvidos com a capacidade prodigiosa do S. Typhimurium de invadir e colonizar células hospedeiras e escapar da vigilância e destruição pelo sistema imunológico do hospedeiro.
“Um grande desafio que limita a exploração humana do espaço é a falta de uma compreensão abrangente do impacto das viagens espaciais na saúde da tripulação”, diz Nickerson. “Esse desafio terá um impacto negativo tanto na exploração do espaço profundo por astronautas profissionais, quanto nos civis que participam do mercado espacial comercial em rápida expansão na órbita baixa da Terra. Como os micróbios acompanham os humanos onde quer que viajem e são essenciais para controlar o equilíbrio entre saúde e doença, entender a relação entre voos espaciais, função das células imunes e microorganismos será essencial para entender o risco de doenças infecciosas para os humanos.”
Nickerson, que co-dirigiu o novo estudo com Jennifer Barrila, é pesquisador do Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics e também é professor da School of Life Sciences da ASU. A pesquisa aparece na edição atual da revista Frontiers in Cellular and Infection Microbiology
Força que altera a vida
A vida na Terra se diversificou em uma gama quase incompreensível de formas, evoluindo sob condições ambientais muito diferentes. No entanto, um parâmetro permaneceu constante. Ao longo da história de 3,7 bilhões de anos da vida na Terra, todos os organismos vivos evoluíram e respondem à força da gravidade da Terra.
Por mais de 20 anos, Nickerson tem sido pioneiro na exploração dos efeitos do ambiente de microgravidade reduzida do voo espacial em uma variedade de micróbios patogênicos e o impacto nas interações com células humanas e animais que eles infectam. Ela e seus colegas perseguiram obstinadamente essa pesquisa em ambientes terrestres e de voos espaciais, cujos resultados ajudaram a estabelecer as bases para o campo de pesquisa em rápido crescimento, mecanobiologia de doenças infecciosas, o estudo de como as forças físicas afetam a infecção e os resultados da doença.
Entre suas descobertas importantes está que as condições de baixo cisalhamento de fluido associadas ao ambiente de gravidade reduzida do voo espacial e da cultura de análogo do voo espacial são semelhantes às encontradas por patógenos dentro do hospedeiro infectado, e que essas condições podem induzir mudanças únicas na capacidade de micróbios patogênicos como Salmonella para infectar agressivamente as células hospedeiras e exacerbar a doença, uma propriedade conhecida como virulência.
O agente infeccioso explorado no novo estudo, Salmonella Typhimurium, é um patógeno bacteriano responsável por doenças gastrointestinais em humanos e animais. A salmonela é a principal causa de morte por doenças transmitidas por alimentos nos Estados Unidos. De acordo com o CDC, a bactéria Salmonella causa cerca de 1,35 milhão de infecções, 26.500 hospitalizações e 420 mortes nos Estados Unidos a cada ano. Os alimentos contaminados pela bactéria são a principal fonte para a maioria dessas doenças.
A infecção por salmonela geralmente causa diarréia, febre e cólicas estomacais, começando 6 horas a 6 dias após a infecção. A doença da doença geralmente dura de 4 a 7 dias. Em casos graves, a hospitalização pode ser necessária.
Probabilidade de cisalhamento?
As células em organismos mamíferos, incluindo humanos, bem como as células bacterianas que as infectam, são expostas ao fluido extracelular que flui sobre suas superfícies externas. Assim como uma corrente suave a jusante afetará os seixos no leito subjacente de maneira diferente de uma torrente furiosa, a força do fluido deslizando sobre as superfícies das células pode causar alterações nas células afetadas. Esta abrasão líquida das superfícies das células é conhecida como cisalhamento fluido.
Como os experimentos de voo espacial são raros e o acesso à plataforma de pesquisa espacial é atualmente limitado, os pesquisadores geralmente simulam as condições de baixo cisalhamento de fluido que os micróbios encontram durante a cultura em voo espacial, cultivando células em meio de crescimento líquido dentro de um dispositivo conhecido como biorreator de vaso de parede rotativo ou RWV . À medida que o reator cilíndrico gira, as células são mantidas em suspensão, girando suavemente e continuamente em seu meio de cultura circundante. Este processo imita as condições de baixo cisalhamento do fluido de microgravidade que as células experimentam durante a cultura em voos espaciais.
A equipe também mostrou que esse nível de cisalhamento de fluido é relevante para as condições que as células microbianas encontram no intestino humano e em outros tecidos durante a infecção, desencadeando mudanças na expressão gênica que podem ajudar alguns patógenos a colonizar melhor as células hospedeiras e evitar os esforços do sistema imunológico para destruir eles.
Retrato de um intruso
O estudo encontrou mudanças significativas tanto na expressão gênica quanto na capacidade de infectar modelos intestinais 3-D por bactérias Salmonella cultivadas no biorreator RWV. Estas experiências envolveram duas estirpes de S. Typhimurium, uma estirpe inalterada ou de tipo selvagem e uma estirpe mutante.
A cepa mutante era idêntica ao tipo selvagem, mas carecia de uma proteína importante conhecida como Hfq, um importante regulador da resposta ao estresse em Salmonella. Em pesquisas anteriores, Nickerson e sua equipe descobriram que o Hfq atua como um regulador mestre do processo de infecção da Salmonella em voos espaciais e na cultura analógica de voos espaciais. Mais tarde, eles descobriram patógenos adicionais que também usam Hfq para regular suas respostas a essas mesmas condições.
Inesperadamente, no estudo atual, a cepa mutante hfq ainda foi capaz de se ligar, invadir e sobreviver em modelos de tecido 3-D em níveis comparáveis à cepa do tipo selvagem. De acordo com esse achado, muitos genes responsáveis pela capacidade da Salmonella de colonizar células humanas, incluindo aqueles associados à adesão celular, motilidade e invasão ainda foram ativados na cepa mutante em condições de microgravidade simulada, apesar da remoção do Hfq.
Do ponto de vista do hospedeiro, o modelo de co-cultura intestinal 3-D respondeu à infecção por Salmonella regulando positivamente os genes envolvidos na inflamação, remodelação de tecidos e cicatrização de feridas em níveis mais altos quando as bactérias foram cultivadas sob condições de microgravidade simuladas antes do uso em estudos de infecção. Isso foi observado para as cepas mutantes do tipo selvagem e hfq do patógeno.
Os dados deste novo estudo analógico de voo espacial reforçam as descobertas anteriores dos experimentos do ônibus espacial de 2006, 2008 e 2010 da equipe. Em particular, o experimento de voo de 2010 realizado a bordo do ônibus espacial Discovery, chamado STL-IMMUNE, usou a mesma cepa selvagem de S. Typhimurium para infectar um modelo 3-D de tecido intestinal humano feito das mesmas células epiteliais usadas no novo estudo. .
Várias semelhanças foram observadas entre as respostas das células hospedeiras à infecção no novo estudo análogo de voo espacial e aquelas relatadas anteriormente quando as infecções ocorreram em voos espaciais verdadeiros durante o experimento STL-IMMUNE. Esses resultados reforçam ainda mais o RWV como um sistema de cultura análogo de voo espacial preditivo baseado em terra que imita os principais aspectos das respostas microbianas à verdadeira cultura de voo espacial.
“Durante o STL-IMMUNE, descobrimos que a infecção de um modelo epitelial intestinal 3-D humano por Salmonella durante o voo espacial induziu bioassinaturas transcricionais e proteômicas que eram consistentes com uma infecção aumentada pelo patógeno”, diz Barrila. “No entanto, devido aos desafios técnicos de realizar infecções em voo, não pudemos quantificar se as bactérias estavam realmente se ligando e invadindo o tecido em níveis mais altos. O uso do biorreator RWV como um sistema de cultura analógico de voo espacial em nosso estudo atual tem sido uma ferramenta poderosa que nos permitiu explorar essa questão experimental em um nível mais profundo.”
Novos horizontes
Os astronautas enfrentam um risco duplo de doenças infecciosas durante suas missões longe da Terra. Os rigores combinados do voo espacial agem para enfraquecer seus sistemas imunológicos. Ao mesmo tempo, alguns patógenos como Salmonella podem ser desencadeados por condições de baixo cisalhamento de fluidos induzidas pela microgravidade para se tornarem agentes infecciosos mais eficazes.
Com missões de voos espaciais mais longas nos estágios avançados de planejamento e o advento das viagens espaciais civis emergindo rapidamente, é vital proteger os viajantes espaciais de doenças infecciosas.
Estudos como o atual também estão ajudando a abrir a cortina do processo de infecção, revelando detalhes fundamentais com ampla relevância para a batalha contra doenças, na Terra e além.
A cultura análoga de voos espaciais aumenta a interação hospedeiro-patógeno entre salmonela e um modelo de co-cultura intestinal biomimética 3-D, Frontiers in Cellular and Infection Microbiology
Publicado em 05/06/2022 07h16
Artigo original:
Estudo original: