Badanie przeprowadzili naukowcy z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Jego wyniki opublikowano w czasopiśmie „npj Biofilms and Microbiomes”.

Pomysł ulepszenia bakterii probiotycznych tak, by skuteczniej chroniły gospodarza przed patogenem, pojawił się w zespole dr. hab. Krzysztofa Grzymajły, prof. UPWr kilka lat temu.

- Od dawna zajmuję się adhezją, czyli przyleganiem bakterii do komórek, przede wszystkim w przypadku patogenów, zwłaszcza Salmonelli. W pewnym momencie uznałem jednak, że sam układ gospodarz-patogen jest zbyt prosty, bo w rzeczywistości bakterie funkcjonują przecież wśród całego mikrobiomu. Postanowiłem więc włączyć ten trzeci element do badań. A ponieważ częścią mikrobiomu są także bakterie probiotyczne, pojawił się pomysł, by spróbować je ulepszyć - wyjaśnił naukowiec w rozmowie z PAP.

Do eksperymentów wybrano Escherichia coli Nissle 1917. Choć niektóre szczepy E. coli odpowiadają za zakażenia jelitowe i inne infekcje, gatunek ten obejmuje również szczepy naturalnie zasiedlające jelita, a nawet wykorzystywane jako probiotyki. Nissle 1917 należy właśnie do tej ostatniej grupy.

- Wybraliśmy E. coli między innymi dlatego, że jest organizmem modelowym, co oznacza, że od dziesięcioleci bardzo intensywnie się ją bada. Dzięki temu dobrze znamy jej genetykę i dysponujemy wieloma sprawdzonymi metodami modyfikacji, które także stosujemy w naszym laboratorium - powiedział prof. Grzymajło.

Naukowcy zmodyfikowali białko FimH znajdujące się na końcach cienkich, włoskowatych struktur na powierzchni bakterii, które pomagają jej przyczepiać się do komórek gospodarza. Struktury te nazywane są fimbriami typu 1.

Wprowadzili trzy różne mutacje. Wszystkie powodowały, że bakterie lepiej przylegały do komórek, jednak jedna z nich, oznaczona G66R, dawała zdecydowanie najsilniejszy efekt. W badaniach laboratoryjnych na hodowlach komórkowych zmodyfikowany szczep przyczepiał się do komórek nabłonka jelitowego ok. czterokrotnie skuteczniej niż jego niezmodyfikowana wersja. Co ważne, skuteczniej konkurował też z Salmonellą.

- Kiedy taki probiotyk lepiej się przyczepia do komórek jelita, zajmuje więcej nisz i pozbawia Salmonellę miejsca oraz zasobów, dzięki którym może się tam rozprzestrzeniać - wytłumaczył ekspert.

Po obiecujących doświadczeniach na komórkach badacze przeszli do eksperymentów na myszach. Zwierzętom najpierw podawano zwykły albo zmodyfikowany szczep probiotyczny, a następnie zakażano je Salmonella Typhimurium.

Efekt okazał się bardzo wyraźny - myszy, które wcześniej otrzymywały zmodyfikowany probiotyk, znacznie łagodniej przechodziły zakażenie. Traciły mniej masy ciała, a liczba bakterii w ich jelitach i innych narządach wewnętrznych była znacznie niższa.

Autorzy wyliczyli, że w ich śledzionie komórek bakteryjnych było 7300 razy mniej, a w wątrobie 1700 razy mniej niż u myszy, które nie przyjmowały zmodyfikowanego probiotyku. Nie dochodziło też u nich do splenomegalii, czyli powiększenia śledziony, charakterystycznego dla ciężkiego ogólnoustrojowego zakażenia Salmonellą.

- Czyli fizycznie nasz probiotyk redukował skutki zakażenia - zaznaczył prof. Grzymajło.

Dalsze analizy zaskoczyły naukowców. Okazało się bowiem, że zmodyfikowany szczep Nissle 1917 chronił przed zakażeniem nie tylko dzięki skuteczniejszej konkurencji z Salmonellą w jelicie, ale także poprzez pobudzanie układu odpornościowego.

Badacze zauważyli, że u myszy, które go otrzymały, zwiększała się liczba limfocytów T, w tym limfocytów cytotoksycznych CD8+. Komórki te są szczególnie ważne w zwalczaniu patogenów, które ukrywają się wewnątrz komórek gospodarza.

Jak wyjaśnia prof. Grzymajło, Salmonella może ukrywać się i namnażać się w makrofagach - komórkach układu odpornościowego - oraz wykorzystywać je do rozprzestrzeniania się do kolejnych tkanek. Limfocyty cytotoksyczne niszczą natomiast zakażone komórki, ograniczając w ten sposób dalszy rozsiew bakterii. - Ochrona działa więc dwutorowo: lokalnie w jelicie, gdzie probiotyk konkuruje z patogenem, i systemowo poprzez pobudzenie układu odpornościowego - powiedział naukowiec.

Badanie nie pozwoliło jeszcze w pełni wyjaśnić, dlaczego zmodyfikowany probiotyk silniej pobudza odpowiedź immunologiczną ani co dokładnie uruchamia tę reakcję. Naukowcy podejrzewają jednak, że zmodyfikowane białko bakterii może aktywować dodatkowe receptory na komórkach gospodarza, które następnie uruchamiają szlaki prowadzące do zmian w układzie odpornościowym.

Kolejne prace zespołu mają pomóc wyjaśnić ten mechanizm i sprawdzić, czy podobny efekt można uzyskać także poprzez inne modyfikacje oraz w przypadku innych bakterii probiotycznych.

- To mógłby być bardziej uniwersalny mechanizm, ponieważ nie chodziłoby wyłącznie o ochronę przed Salmonellą, ale także o pobudzenie odpowiedzi organizmu gospodarza. Jeśli uda się ją uruchamiać w podobny sposób, zmodyfikowane probiotyki mogłyby pomagać również w ochronie przed innymi patogenami - stwierdził prof. Grzymajło.

Jednym z kolejnych pomysłów zespołu jest sprawdzenie zmodyfikowanego probiotyku u kurcząt. Zakażenia Salmonellą stanowią poważny problem w hodowli drobiu, więc skuteczna ochrona przed nimi mogłaby mieć duże znaczenie praktyczne.

Zdaniem prof. Grzymajły w przyszłości podobne rozwiązania będzie można wykorzystać także u ludzi.

- Coraz więcej bakterii staje się opornych na antybiotyki, przez co leczenie zakażeń jest coraz trudniejsze. W pewnym momencie leki te mogą przestać wystarczać. Musimy więc szukać innych sposobów, które pomogą nam się bronić. To może być potencjalnie jedna z takich alternatyw - podsumował naukowiec.