Учёные зафиксировали опасную эволюцию среди микобактерий туберкулёза

Учёные из Института общей генетики имени Н. И. Вавилова РАН и Московского физико-технического института создали каталог мутационных изменений в 319 генах вирулентности микобактерий, вызывающих туберкулёз.

Эти гены кодируют белки, ответственные за преодоление иммунного ответа у человека. Последующий анализ  выявил набор из трёх мутаций, которые могут позволить микобактерии быстро развиваться в организме людей с пониженным иммунитетом. Появление новых штаммов возбудителя туберкулёза требует новых подходов к лечению и предполагает разработку новых генно-инженерных вакцин, эффективных с точки зрения иммунного состояния конкретного пациента и особенностей вирулентности патогена. Статья опубликована в журнале Genome Biology and Evolution (издательство Oxford, Великобритания).

Проигранная борьба

По данным ВОЗ, туберкулёз остаётся одним из самых опасных инфекционных заболеваний человека, ежегодно уносящим более 1,8 миллионов жизней во всём мире. Он вызывается микобактериями из группы Mycobacterium tuberculosis, или иначе — палочками Коха. Как становится ясно из опубликованной статьи, наиболее уязвимы для этой болезни люди с ВИЧ-инфекцией или другими иммунодефицитными состояниями. Более 20% случаев заболевания туберкулёзом связано с курением. На данный момент туберкулёз перестал быть социально зависимым заболеванием — с инфекцией сталкиваются абсолютно все слои населения. Это обусловлено стрессами, сопровождающими жизнь каждого современного человека. Микобактерия туберкулёза стала намного устойчивее как ко внешней среде, так и к антибиотикам, ранее обеспечивавшим эффективное лечение. Сейчас симптомы туберкулёза не так выражены: человек может долгое время носить в себе туберкулёзную палочку и заражать ею окружающих. Согласно статистике ВОЗ, треть населения нашей планеты — носители туберкулёза. Сейчас самая острая проблема — это проблема лекарственной устойчивости, отягощённая появлением новых штаммов возбудителя, адаптированных к организму человека с пониженным иммунитетом.  

Валерий Даниленко, заведующий отделом генетических основ биотехнологий ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН, профессор кафедры биоинформатики Факультета медицинской и биологической физики МФТИ: «Человечество пытается опередить болезнь с помощью новых препаратов и технологий для лечения, однако эта борьба тактически уже проиграна. За пятьдесят лет был создан только один новый антибиотик “Бедаквилин” с новым механизмом действия. Он используется где-то 2 года. Но у микобактерий уже появились мутации устойчивости к данному антибиотику».

Новые штаммы бактерии с изменённой вирулентностью уже «почувствовали» слабость человечества в плане наличия в популяции людей с пониженным иммунитетом. Именно на такие группы нацелена сейчас экспансия штаммов с новыми мутациями вирулентности и обладающих лекарственной устойчивостью.

Биоинформатика и генетика  помогли выявить опасный штамм возбудителя туберкулёза

На данный момент исследователи выделяют 7–8 основных линий (групп) микобактерий туберкулёза. Они отличаются друг от друга наличием мутаций в разных генах. Таких мутаций, или SNP (мутаций в конкретном гене за счёт замены одного нуклеотида на другой), может быть от 300 до 1000 на геном, отличающих одну линию от другой. Если мутация происходит в важной части гена вирулентности, то белок, который этот ген  кодирует, будет вызывать другую иммунную реакцию. За счёт этого бактерия может преодолевать иммунитет человека к туберкулёзу, выработанный благодаря прививанию в детском возрасте БЦЖ (противотуберкулёзной вакциной).

Наталья Михеечева, сотрудник лаборатории генетики микроорганизмов ИОГен им. Н.И. Вавилова РАН, магистрант кафедры биоинформатики МФТИ: «Мы провели исследование и попытались выявить гены и мутации в них, которые позволяют микобактериям успешно развиваться у людей с изменённым иммунным статусом, в том числе у ВИЧ-инфицированных. Был сформирован каталог SNP в более чем трёхстах генах, связанных с вирулентностью. Под термином “вирулентность” мы подразумеваем способность патогена вызывать заболевание, преодолевать механизм устойчивости хозяина посредством инвазии и адгезии к клеткам человека и адаптироваться к агрессивным для бактерии условиям человеческого организма, включая модуляцию иммунного ответа».

В каждой линии выявлено от десятков до сотен сублиний, в зависимости от гена и места мутации. При биоинформатическом анализе с помощью программ, разработанных на Кафедре биоинформатики МФТИ, были обнаружены мутации, характерные для эпидемиологически опасной сублинии в составе линии Beijing-B0 (Пекин).

Рисунок: Новая классификация позволила выделить сублинию B0/N-90, нацеленную на людей с пониженным иммунитетом.

Учёные проследили распространение эпидемиологически опасной сублинии B0/N-90 на территории России и прилежащих европейских стран: Белоруссии, Молдавии, Швеции — среди уже секвенированных и охарактеризованных геномов.

Создание новых вакцин

В 2008 году для борьбы с устойчивым туберкулёзом был создан международный консорциум TBResist, в который входят ведущие медики, генетики, бионформатики и другие специалисты из США, Швеции, России, Великобритании, Бангладеш, Зимбабве, ЮАР, Тайваня и других стран.

Валерий Даниленко, руководитель исследования в России: «В рамках международного консорциума мы совместно с нашими коллегами из ЮАР и Китая подготовили проект, который позволит исследовать выявленный нами эпидемиологически опасный штамм. Проект находится на рассмотрении экспертных сообществ трёх стран, в том числе в Минобрнауки РФ. Мы пытаемся предупредить международное сообщество и профильные министерства здравоохранения стран БРИКС о грядущей опасности. В 80-е годы появился ВИЧ. Чего-то подобного можно ожидать и в отношении новых мутантных штаммов туберкулёза — откроется “Ящик Пандоры”».

Существующие сейчас методики лечения позволяют вылечить болезнь за год или два. Но могут появиться такие мутанты, которые будут быстро развиваться у некоторых категорий людей. Всем известно, как медики научились бороться с гриппом: каждый год формируется новый штамм с новой мутацией, под которую разрабатывается новая вакцина. Но у вируса гриппа всего несколько генов, а у микобактерии туберкулёза только генов вирулентности порядка трёхсот, и во всех могут происходить мутации.

В течение последних 30 лет исследователи во всем мире пытаются разработать генно-инженерную вакцину от туберкулёза. Для её создания используют не саму бактерию, а лишь её определённые гены. Гены клонируют, получают белки-продукты, ими вакцинируют человека и смотрят на иммунный ответ. Но микобактерии туберкулёза подразделяются на сотни сублиний. Результаты исследования говорят о том, что нужно создавать вакцины, учитывающие иммунный статус человека и наличие среди возбудителя по крайней мере десятка эпидемиологически опасных линий, несущих мутации в определённых генах вирулентности.  

Валерий Даниленко: «Мы нашли мутации, которые могут позволить бактерии хорошо развиваться в организме людей с пониженным иммунитетом. Теперь, как в случае с гриппом, мы предлагаем разработать вакцины, специфичные против определённых линий туберкулёза, на основе конкретных генов, выявленных при биоинформатическом анализе многих сотен секвенированных геномов, что поможет нащупать подход, позволяющий заранее препятствовать распространению опасных линий. Также мы разработали диагностики, которые помогают обнаружить такие линии».

Перспективы

13–14 апреля в Екатеринбурге прошла международная научно-практическая конференция «Современные технологии комплексной медицинской помощи больным туберкулёзом и ВИЧ-инфекцией: реализация, развитие, резервы». На ней был представлен программный пленарный доклад «Состояние исследований, проблемы и перспективы разработки противотуберкулёзных генно-инженерных вакцин». Известный специалист в области разработки вакцин профессор Игорь Красильников рассказал о ближайших планах ряда профильных институтов России (ФАНО, Минздрава, ФМБА, МФТИ), основанных на новых идеях и парадигмах, сформировавшихся в этих институтах в последние годы.